如何讓火箭“站穩(wěn)腳跟”

“站穩(wěn)腳跟”是人們常說的一句話。在日常生活中，一個(gè)人只有站穩(wěn)腳跟才能保持身體平穩(wěn)，不然很容易摔倒；還有抬腳邁步的時(shí)候，只有在沒有束縛的情況下才能順利邁開腳步，否則就容易摔跟斗。運(yùn)載火箭也是這樣，發(fā)射前它也需要在發(fā)射臺(tái)上“站穩(wěn)腳跟”，否則很難完成各種作業(yè)和正常發(fā)射升空，而且發(fā)射時(shí)，腳下也不能有任何“絆腳石”。

從典型看奧秘

運(yùn)載火箭是一種龐大的科技產(chǎn)品。它的尺寸自誕生以來就像氣球一樣不斷膨脹，比如當(dāng)年發(fā)射美國第一顆衛(wèi)星的先鋒號(hào)火箭全長不過22米，最大直徑也就1.1米；可是到阿波羅載人登月時(shí)，土星5號(hào)火箭的最大高度已經(jīng)達(dá)到86米，最大直徑10米。雖然說這種龐然大物的起飛質(zhì)量驚人（小的十幾噸，大的3000噸），但是由于“細(xì)長比”過大，它在發(fā)射臺(tái)上的起豎和發(fā)射的穩(wěn)定性就成了難題。為了有效解決這個(gè)問題，運(yùn)載火箭的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)——牽制釋放就應(yīng)運(yùn)而生了。

▲ 有了牽制釋放機(jī)構(gòu)的支持，發(fā)射阿波羅6號(hào)飛船的土星5號(hào)火箭腳跟站得更穩(wěn)

顧名思義，火箭牽制釋放技術(shù)的作用有兩個(gè)：一是用于運(yùn)載火箭在裝配廠房內(nèi)起豎和運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射臺(tái)的過程中，以及在發(fā)射臺(tái)上進(jìn)行檢查與測試時(shí)的支撐和固定；二是在火箭點(diǎn)火后尚未達(dá)到額定推力時(shí)起限制作用。說白了，就是要讓火箭站得穩(wěn)、沖勁足。

那么，牽制釋放技術(shù)是怎樣完成牽制、釋放功能的呢？下面讓我們以最典型的“土星5號(hào)”的牽制釋放機(jī)構(gòu)為例來看看其中的奧秘。

“土星5號(hào)”的牽制釋放機(jī)構(gòu)是一套復(fù)雜的地面設(shè)備，主要包括4個(gè)一模一樣的斜形基座，每只基座長3.04米、高3.35米、底部寬l.82米，重20.4噸。這些基座安裝在發(fā)射臺(tái)的正方形排焰孔每一邊的中間，通過特殊加強(qiáng)的結(jié)構(gòu)與發(fā)射平臺(tái)構(gòu)成一個(gè)整體，從而像4只大手或者說像4只鐵鞋一樣將火箭固定在發(fā)射臺(tái)上。

▲ 肯尼迪航天發(fā)射中心34號(hào)發(fā)射臺(tái)上的牽制釋放機(jī)構(gòu)

▲ 安裝中的土星5號(hào)火箭牽制釋放機(jī)構(gòu)。在B、C尾翼之間的長桿是三根尾部維護(hù)桿中的兩根，用于支持第一級(jí)火箭燃料加注、空氣調(diào)節(jié)以及緊急液氧泄出管路

斜形基座內(nèi)的主要構(gòu)件就像人的手臂一樣，是用銷釘連在一起的三節(jié)連桿。最上面呈水平狀態(tài)的是上連桿，好比人的手掌，它前端的下邊有一個(gè)球面，用于與基座上的盤形表面配合。上連桿重1179千克，三節(jié)連桿中屬它最大最重，但是因?yàn)橹亓糠植荚谝粋€(gè)152毫米的銷釘上，仍然可以輕松地向上向外旋轉(zhuǎn)。中連桿垂直連接在上連桿一端的下面，重362千克。下連桿連接在中連桿的另一端。

牽制火箭時(shí)，中連桿和下連桿必須處于垂直狀態(tài)。由于連桿太重，只能靠鉸車?yán)瓌?dòng)，當(dāng)中連桿和下連桿的關(guān)節(jié)在水平力的作用下接近垂直位置時(shí)，上連桿后端會(huì)受到一個(gè)向上的推力，于是前端就在杠桿的作用下形成一種對火箭的壓制力，而連桿的關(guān)節(jié)將通過一個(gè)分離環(huán)與氣動(dòng)分離器固定。氣動(dòng)分離器包括氣缸、活塞、彈簧和分離環(huán)等。汽缸內(nèi)有8個(gè)鋼球，它們半個(gè)球在分離環(huán)的槽內(nèi)，半個(gè)球在汽缸壁的孔里，當(dāng)活塞受到4個(gè)大彈簧的壓力將鋼球推出汽缸，使其完全卡在分離環(huán)的槽內(nèi)后，牽制釋放機(jī)構(gòu)即被鎖定，于是火箭便在發(fā)射臺(tái)上“生根”了，哪怕在爬肯尼迪航天中心5度斜坡的發(fā)射臺(tái)時(shí)也能穩(wěn)如泰山，至于狂風(fēng)大作的惡劣天氣更不在話下，可以安心地開始設(shè)備安裝、儀器檢查以及推進(jìn)劑加注等作業(yè)。

火箭發(fā)射時(shí)，牽制釋放機(jī)構(gòu)將發(fā)揮它的另一項(xiàng)重要功能——釋放。當(dāng)?shù)谝患?jí)火箭的所有發(fā)動(dòng)機(jī)全部達(dá)到額定推力時(shí)，兩個(gè)電磁活門將根據(jù)電信號(hào)打開，隨即噴出的氦氣將推動(dòng)氣動(dòng)分離器的活塞去抵抗彈簧，使卡在分離環(huán)槽內(nèi)的鋼球退回汽缸內(nèi)，從而使分離環(huán)脫離，松開連桿。連桿彎曲時(shí)，上連桿的前端因尾端失去向上的作用力而向上翹起，完成對火箭的釋放。

牽制釋放兩全齊美

牽制釋放技術(shù)開始于上世紀(jì)50年代，蘇聯(lián)曾率先在衛(wèi)星號(hào)運(yùn)載火箭上采用了這種技術(shù)，后來美國、英國、法國、日本和俄羅斯等國家也都在火箭上廣泛采用，包括美國的“宇宙神”“大力神”“土星1號(hào)”“土星5號(hào)”，英國的“藍(lán)光”，日本的H-2，俄羅斯的“天頂號(hào)”“質(zhì)子號(hào)”“聯(lián)盟號(hào)”，以及歐空局的“阿里安”等?！按罅ι瘛辈捎玫氖潜ㄊ椒蛛x螺母和雙頭螺栓，“藍(lán)光”和“阿里安”采用了液壓阻尼油缸和主連桿，美國的航天飛機(jī)則改用了易碎螺母和雙頭螺栓，以及固體火箭助推器尾部的8個(gè)Γ形壓板和支撐結(jié)構(gòu)。

▲ 美國航天飛機(jī)發(fā)射臺(tái)上的牽制釋放機(jī)構(gòu)

▲ 建設(shè)中的土星5號(hào)火箭牽制釋放機(jī)構(gòu)

▲ 聯(lián)盟號(hào)運(yùn)載火箭在法屬圭亞那發(fā)射場用的牽制釋放機(jī)構(gòu)

這些牽制釋放機(jī)構(gòu)大小不同、形式各異，但都能滿足安全可靠的要求：牽制時(shí)能承受多種負(fù)荷，包括自然條件下的風(fēng)力負(fù)荷與發(fā)射時(shí)的沖擊負(fù)荷；釋放時(shí)保證安全可靠，不損傷火箭。

在牽制火箭時(shí)，牽制釋放機(jī)構(gòu)承受的負(fù)荷非常大，常常高達(dá)幾百、幾千甚至幾萬千牛，而且要保持一定的時(shí)間。很多人都以為發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后火箭馬上就起飛了，事實(shí)并非如此，在達(dá)到額定推力前的幾秒鐘內(nèi)，火箭根本無法徹底起飛，因?yàn)樗€被牽制在發(fā)射臺(tái)上。各種火箭的牽制時(shí)間長短不一，“阿里安”為3秒，“土星5號(hào)”長達(dá)7秒（離開發(fā)射臺(tái)15厘米）。別看只有短短的幾秒，卻總讓人感覺長得沒有盡頭，甚至誤以為牽制釋放機(jī)構(gòu)出了什么問題。

▲ 安裝在肯尼迪航天中心17A發(fā)射臺(tái)上的德爾塔2火箭的第一級(jí)，它的前面是牽制釋放機(jī)構(gòu)

站穩(wěn)腳跟不是火箭的目的，它最終要甩開腳步，奔向太空，這個(gè)重要階段將由釋放功能協(xié)助完成。釋放火箭的難點(diǎn)在于，不該釋放時(shí)，它必須牢牢將火箭固定在發(fā)射臺(tái)上，應(yīng)該釋放時(shí)必須準(zhǔn)時(shí)、準(zhǔn)確、全部。然而，火箭的牽制點(diǎn)從來都不是一個(gè)，不同型號(hào)數(shù)量不等，少則2個(gè)，多則8個(gè)，還有的多達(dá)32個(gè)，牽制點(diǎn)越多同步釋放的難度就越大。為了達(dá)到安全可靠的目的，牽制釋放機(jī)構(gòu)大多采用了雙保險(xiǎn)的辦法。例如大力神火箭，4套爆炸分離螺栓每套都有兩個(gè)平行的備份，只要有一套工作正常就能可靠地完成釋放。土星5號(hào)火箭采用的備用方法是，一旦遇到意外情況，釋放系統(tǒng)失靈或者氣動(dòng)分離器因?yàn)楣收蠜]有正常釋放，立即點(diǎn)燃導(dǎo)火索炸裂脆性螺母，強(qiáng)迫下連桿上的螺栓完成釋放。

▲ 把德爾塔2火箭安裝到范登堡空軍基地的牽制釋放機(jī)構(gòu)上

為了確保釋放過程的安全可靠，發(fā)射“土星5號(hào)”的39號(hào)發(fā)射臺(tái)還采取了這樣一種措施。由于釋放的瞬間，運(yùn)載火箭加速過快，有可能對結(jié)構(gòu)產(chǎn)生很大應(yīng)力，設(shè)計(jì)師專門在每個(gè)基座上設(shè)計(jì)安裝了兩個(gè)輔助控制裝置，它是一個(gè)與斜形基座相連的托架，上面固定了兩個(gè)直徑1英寸（約2.54厘米）的螺栓，每個(gè)螺栓的另一端固定在火箭鐘罩形的套筒里，火箭起飛時(shí)它們隨之被向下拉。因?yàn)槁菟ㄊ菆A錐形的，所以拉力從高到低，從16300千克一直到0，從而延長了釋放時(shí)間，減小了對火箭的沖擊。

牽制釋放技術(shù)還有另一個(gè)作用，就是在火箭發(fā)生意外情況時(shí)經(jīng)受發(fā)射失敗的回彈力，及時(shí)保護(hù)火箭的安全。1965年12月12日，大力神2號(hào)火箭在發(fā)射雙子星座6號(hào)飛船時(shí)，由于多余物堵塞了發(fā)動(dòng)機(jī)氧化劑進(jìn)口沒能正常起飛。千鈞一發(fā)之際，牽制釋放機(jī)構(gòu)出色地將火箭固定在發(fā)射塔架上，避免了爆炸的危險(xiǎn)，保護(hù)了航天員、火箭和飛船的安全。

▲ 安裝好牽制釋放機(jī)構(gòu)的日本H-2B火箭

發(fā)射牽制釋放技術(shù)已經(jīng)在國外的運(yùn)載火箭上采用多年。實(shí)踐證明，它在確保火箭安全發(fā)射方面的優(yōu)勢顯而易見。不過，中國的長征系列火箭長期以來一直沿用防風(fēng)拉桿技術(shù)，即發(fā)射時(shí)當(dāng)一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力大于火箭自重后將自動(dòng)起飛。具體說，就是在火箭尾段上安裝幾個(gè)帶孔支座，用直徑三四十毫米的螺栓通過它們與發(fā)射臺(tái)連接，發(fā)射前再依靠人工的辦法把螺栓取下，并當(dāng)面經(jīng)發(fā)射指揮人員確認(rèn)。這種技術(shù)簡便可行，只是一旦遇到發(fā)射意外后果難以預(yù)料。1992年3月22日，長征二號(hào)捆綁式火箭發(fā)射澳大利亞B1通信衛(wèi)星時(shí)，由于箭上程序配電器節(jié)點(diǎn)間存在多余物，兩枚火箭助推器的發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后意外關(guān)機(jī)，結(jié)果火箭沒有正常起飛，只在發(fā)射臺(tái)上轉(zhuǎn)動(dòng)了1.5度，4個(gè)支點(diǎn)中的3個(gè)扭到了支座邊緣，如果不是被6毫米的臺(tái)階擋住，有可能滑下支座，倒在發(fā)射臺(tái)上，造成不堪設(shè)想的后果。據(jù)有關(guān)資料顯示，目前長征五號(hào)火箭已經(jīng)首次采用了牽制釋放技術(shù)。