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空间货运系统首次应用 “长七”再度飞天看点多

来源:综合 作者:中国运载火箭技术研究院
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原标题:空间货运系统首次应用 “长七”再度飞天看点多

  空间货运系统首次应用 “长七”再度飞天看点多

  中国运载火箭技术研究院新闻中心 高一鸣 左秋红

  4月20日19时41分,由中国运载火箭技术研究院抓总研制的长征七号运载火箭(以下简称“长七火箭”)从海南文昌航天发射场准时点火,伴随着巨大的轰鸣声,长七火箭带着天舟一号货运飞船奔向浩渺的太空,发射取得圆满成功。

  此次任务是中国载人航天工程空间实验室任务的收官之战,标志着中国载人航天工程胜利完成“三步走”战略中的“第二步”,也是长七火箭与天舟货运飞船组成的空间货物运输系统的首次应用,为下一步空间站建设和长期运营奠定坚实的技术基础。

  长七火箭的第二次发射有许多看点。

  送我国史上最重航天器上太空

  本次任务中,长七火箭发射的天舟一号是我国第一艘货运飞船,也是我国目前送入太空的最重载荷,重约13吨。

  如此重量级的飞船,为何首选长七火箭?

  长七火箭是为满足我国载人空间站工程发射货运飞船的需求,以及未来载人运载火箭更新换代的长远需求而全新研制的新一代高可靠、高安全的中型运载火箭。

  从外观上看,这款火箭与常规火箭的差别不大,也是3.35米的“腰身”,捆绑4个直径2.25米的助推器。不同的是,它采用的是两种新型液氧煤油发动机,较常规推进剂比冲提高15%,推力提高50%。另外,长七火箭助推器更长,接近常规火箭的2倍,可装的燃料更多。起飞时,6台120吨级大推力发动机提供了超过700吨的推力,芯二级还有4台液氧煤油发动机接力,足以将携带货物的天舟一号送入与空间实验室交会对接的轨道。

  长七火箭将我国近地轨道运载能力从8.6吨提升至14吨,被誉为中国进入太空的“新动力”,达国外同类火箭先进水平。

  “天生”可靠性高

  长七火箭不仅力气大,而且可靠性很高。它的可靠性设计指标为0.98,在国际上处于领先水平。为了达到这一目标,设计人员在研制之初便开展了型号的可靠性工程研制,将可靠性设计到产品中去,采用冗余、降额等手段提高系统可靠性,并开展可靠性强化试验,提前暴露产品的薄弱环节并进行改进,基于可靠性增长试验进行火箭可靠性评估。此外,在制造、测试、运输、发射等各个环节,长七火箭都充分继承了以往型号的成功做法。

  除了0.98的可靠性设计指标,还有一个实际验证的可靠性指标,随着火箭相关试验的积累和飞行成功次数的增加而增长。在连续两次飞行成功后,长七火箭的实际验证可靠性指标已超过了普通火箭飞行数次才能达到的水平。

  75项技术改进让火箭设计更优、操作更方便

  据长七火箭副总设计师程堂明介绍,去年6月25日“长七”首次上天飞行,验证了火箭设计方案的正确性和各系统工作的匹配性。这次任务中,长七火箭并没有进行大的技术更改,但有75项小的技术改进,主要是为了适应任务需求,以及提升操作的方便性。

  “比如,优化蓄压器管路布局,充气接管嘴从舱内移至箭壁,以前需要进舱操作,更改后不需要进舱,更便于操作。”程堂明说,相比首飞火箭,长七遥二火箭技术状态变化涉及现场操作和使用维护的更改占约30%,通过细节的完善,进一步体现了人性化。

  海南文昌发射场天气潮湿,降水量大。在火箭研制之初,研制人员就将 “防水”列为重中之重。

  据长七火箭总体副主任设计师徐利杰介绍,本次任务中,同首飞火箭一样,火箭部段对接处、细小的孔径和缝隙处、排气孔处,都做了防水处理。即便如此,他们依然改进了一些措施,使防水更加周密,让水“无孔可入”。

  “火箭加注低温燃料后,箭体内外可谓冰火两重天,表面会结露。我们在火箭每个液氧贮箱的下端都围了一圈防雨布,还在对接面上安装了小支架,对水进行引流,防止水从部段对接面流入舱内,同时也防止水流到液氧加泄连接器,导致连接器结冰无法正常脱落。一个小举措,解决了大问题。”徐利杰说。

  首次实战“零窗口”发射

  天舟一号货运飞船发射升空后,与天宫二号空间实验室完成了交会对接,并开展了货物运输补给、推进剂在轨补加等多项关键技术试验。

  空间实验室以极高的速度运行在数百千米高的太空,要送天舟一号货运飞船与之精准对接,火箭就必须准时起飞。否则,分秒之差,就可能让飞船谬之千里。这种窄到一瞬的窗口叫做“零窗口”。

  交会对接任务,对长七火箭发射任务来说,要求做到准时点火、精确入轨,这也是我国首次对大规模低温火箭提出“零窗口”发射要求。

  此前,在我国载人航天工程中,长征二号F火箭曾多次成功实施“零窗口”发射。而相比常规燃料火箭,长七火箭采用的是全低温液氧煤油推进剂,低温燃料火箭射前流程更复杂。

  “相对于采用常规推进剂的火箭,采用低温推进剂的长七火箭系统更复杂,特别是在点火前的3分钟内,要连续完成十多个关键动作,某一环节出现问题,都可能错过发射时间。参试人员通过落实射前关键环节可靠性保障措施、制定故障预案,保障了射前流程的顺利实施,使得长七火箭具备了‘零窗口’发射的能力,这次天舟一号的发射可谓分秒不差。”长七火箭总体副主任设计师徐利杰介绍,“当然,如果遇到特殊情况,加满燃料的长七火箭也具备推迟1~2天发射的能力,真正做到了令行禁止,枕戈待旦。”

  “比如,长七火箭在点火前几分钟内,要完成贮箱增压、连接器脱落、火箭摆杆摆开等十多个关键动作,某一个环节出现问题,都可能错过发射时间。因此,要做到‘零窗口’发射,对地面和箭上设备的可靠性要求更高。”

  为此,研制人员制定了影响流程关键设备可靠性的保障措施,开展了故障预案再梳理,一方面确保射前地面设备能够可靠工作;另一方面,梳理、优化射前流程,并制定了多项故障预案,保障流程的顺利执行。

  “同时,火箭控制系统还应用了一些新技术,即便在点火时间推迟一分钟的情况下,依然可保证货运飞船进入天宫二号空间实验室的轨道。”程堂明说。

  听见“点火”默数7秒才起飞

  我国此前的火箭发射时,指挥员下达“点火”口令后不久,火箭就喷出了火焰,但长七火箭发射时许多人发现,指挥员下达“点火”口令后,等待了数秒,火箭才喷出尾焰,又过了一秒多才飞起来,这是为什么呢?

  长七火箭总体副主任设计师徐利杰介绍:“与此前的火箭相比,长七火箭的点火方式有很大差异。简单地说,此前的火箭是使用火工品(俗称‘火药’)点火,口令下达后3秒左右就能见火;而长七火箭则是利用高压煤油冲破点火导管,带点火剂的煤油在燃烧室与氧化剂接触实现点火。相对于前者,长七火箭的点火方式更稳定、冲击更小。发动机启动过程需要有数秒的泄压时间,随后1秒左右就可以见到火焰喷出,但火箭推力的增大也不是一蹴而就的,大约1秒后,推力才能超过长七火箭的重量。所以,听到‘点火’口令后别心急,默数7个数,火箭就飞起来了。”

  发射台“云雾缭绕”如仙境

  在长七火箭之前,我国火箭的尾焰大多是橘红色的,而长七火箭的尾焰颜色不仅又白又亮,长度也超过了以往的火箭。“这是因为火箭使用了环保的液氧、煤油燃料和新型的大推力液氧煤油发动机。”徐利杰说,“我国此前的火箭采用的推进剂是四氧化二氮和偏二甲肼,不完全燃烧的四氧化二氮在常温下易分解成红棕色的二氧化氮气体,伴随着火箭起飞,这种气体围绕在发射塔架周围,形成我们看到的‘红色烟雾’。而液氧、煤油燃烧的颜色则是泛蓝的亮白色。与此前的发动机相比,长七火箭采用的大推力液氧煤油发动机尾焰的温度更高、流速更快,所以尾焰又亮又长。”

  尾焰的温度高达上千度,为了保护发射台,同时降低起飞过程中的噪声,长七火箭起飞过程中采用两级喷水进行降温降噪。“在火箭的尾焰喷出前,发射平台台面的喷水设施会先喷一层厚的水膜;在火箭飞起来后,还会对着尾焰喷一次水。两次喷水过后,活动发射平台台面的温度大大降低,同时起到很好的降噪效果,而喷出的数百吨水有三成左右在高温中汽化,使得发射平台‘云雾缭绕’,宛如仙境。”

  在近百千米高空可“仰望”二级火箭点火

  在以往的火箭发射电视转播中,我们常常看到从地面“仰望”火箭点火升空的画面。在这次发射中,我们有机会看到火箭在飞行到近百千米的高空后,火箭二级点火的画面。原来,设计人员在火箭的一级顶部增加了一个“向上看”的摄像头。

  长七火箭测量系统主任设计师周广铭介绍:“火箭上的摄像头学名叫‘图像测量系统’。在分析火箭的飞行状态或找寻故障时,图像比其他数据更直观、更客观。自2005年首次启用至今,设计师们利用火箭上的摄像头已发现了许多新的规律,还查清了许多‘悬而未决’的问题。这次新增的这个摄像头主要是为了看清火箭一级与二级分离时的画面。此前,观察这一系列动作的摄像头安装在二级尾舱或二级箭体外壁上,视野中有许多遮挡物。若安装在一级顶端,就能更清晰地观察到二级火箭的分离与点火,这在世界上也是很少见的。所以,在这次飞行中,我们可以‘仰望’火箭在近百千米高的空中点火的画面。

  (原载《太空谈索》杂志2017年第6期)

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(责任编辑:郑江 UN988)

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