發(fā)射核心艙，長五B的“勝任力”

文/高一鳴 攝/ 史嘯

4月29日，由中國航天科技集團(tuán)有限公司研制的長征五號(hào)B運(yùn)載火箭成功發(fā)射空間站天和核心艙，打贏了我國空間站在軌建造任務(wù)的開局之戰(zhàn)。

長五B火箭是我國為滿足載人航天工程第三步——空間站工程的任務(wù)要求，在長五火箭的基礎(chǔ)上研制的?？梢哉f，長五B火箭因空間站工程而生，發(fā)射空間站艙段，特別是發(fā)射空間站核心艙，是長五B火箭的“初心”之戰(zhàn)。

那么，為了完成空間站發(fā)射任務(wù)，研制隊(duì)伍賦予了長五B火箭怎樣的能力呢？

勝任力一：運(yùn)力強(qiáng)勁

空間站天和核心艙是我國目前最重的航天器，發(fā)射重量超過22噸。在我國現(xiàn)役火箭中，只有“長五B”能將這么重的航天器送入近地軌道；在世界現(xiàn)役火箭中，“長五B”的近地軌道運(yùn)載能力也處于第一梯隊(duì)。

要送“大塊頭”上天，首先自己要有大體格。

長五B火箭總體副主任設(shè)計(jì)師劉秉介紹，長五B火箭有將近54米高，相當(dāng)于18層樓；芯級(jí)只有一級(jí)，直徑卻達(dá)到了5米，長30多米，是我國最大的火箭子級(jí)；4個(gè)助推器的直徑均為3.35米，與我國其他液體火箭的芯級(jí)直徑相當(dāng)。

點(diǎn)火時(shí)，長五B火箭“體重”達(dá)850噸級(jí)，相當(dāng)于兩架滿載的大型客機(jī)。其中，燃料占絕大部分重量。要把火箭攜帶的高能的液氫、液氧、煤油燃料轉(zhuǎn)化為強(qiáng)勁動(dòng)力，還需要強(qiáng)大的心臟——發(fā)動(dòng)機(jī)。

長五B火箭的每個(gè)助推器上都裝有2臺(tái)120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，芯級(jí)裝有2臺(tái)50噸級(jí)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。起飛時(shí)，10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)均在地面點(diǎn)火，以千噸級(jí)推力，托舉火箭奔向蒼穹。

飛行170多秒時(shí)，助推器發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)、助推器分離。芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)則要一口氣工作480秒左右，直至艙箭分離前幾秒才關(guān)機(jī)。

長五B火箭副總師王維彬介紹，在真空中，長五B火箭芯級(jí)的2臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力可達(dá)140噸級(jí)。

強(qiáng)大的體魄與心臟，使長五B火箭擁有25噸級(jí)的近地軌道運(yùn)載能力，足以發(fā)射空間站艙段。而長二F火箭和長七火箭的近地軌道運(yùn)載能力分別為8噸級(jí)、14噸級(jí)，分別負(fù)責(zé)神舟系列飛船和天舟貨運(yùn)飛船的發(fā)射任務(wù)。3型火箭共同構(gòu)成我國載人航天工程的“天地運(yùn)輸走廊”，“長五B”的力量決定了這條“走廊”有多“寬”。

勝任力二：空間寬敞

為了讓航天員在更寬闊的太空環(huán)境中工作、生活，我國空間站艙體盡可能設(shè)計(jì)得大些。其中，核心艙最大直徑4.2米，全長16.6米，還有機(jī)械臂等“支棱起來”的結(jié)構(gòu)。相應(yīng)的，火箭從起飛到?jīng)_出大氣層的過程中，用于保護(hù)空間站艙段的整流罩也要足夠大。

在地面上，空間站艙體安靜地矗立在整流罩內(nèi)；但在奔向太空途中，特別是在整流罩分離時(shí)，整流罩會(huì)發(fā)生一定形變。因此，必須在整流罩和空間站艙體之間留有足夠空間，以防它們相互碰撞。

當(dāng)然，整流罩太大也會(huì)遇到很多問題。例如，整流罩越大，分離時(shí)的“呼吸變形”也就越大。正如生活中把一大塊薄板抬起來后，會(huì)出現(xiàn)“顫顫巍巍”的現(xiàn)象，整流罩的“呼吸變形”與之類似。整流罩一“抖”，會(huì)不會(huì)碰到里面的艙體？同時(shí)，整流罩大了，固定、分離所需的力量也就越大。怎樣保證整流罩既能在上天時(shí)嚴(yán)密、穩(wěn)固地保護(hù)艙體，又能在分離時(shí)迅速分開？這一系列問題考驗(yàn)著設(shè)計(jì)師的智慧。

長五B火箭總體副主任設(shè)計(jì)師馮韶偉介紹，長五B火箭整流罩直徑5.2米，高20.5米，是世界上采用旋轉(zhuǎn)分離方式的規(guī)模最大、直徑最大的在役整流罩之一。此前的設(shè)計(jì)思路、手段與試驗(yàn)手段，都無法駕馭長五B火箭整流罩的研制工作。團(tuán)隊(duì)在設(shè)計(jì)、試制與試驗(yàn)的過程中不斷探索，引入三維視覺掃描等新技術(shù)，形成了長五B火箭整流罩精準(zhǔn)的仿真模型，確保在飛行、分離的過程中整流罩不會(huì)碰到艙體。

勝任力三：“乘客”舒適

在火箭垂直轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射區(qū)、發(fā)射前打開固定勤務(wù)塔回轉(zhuǎn)平臺(tái)的幾個(gè)小時(shí)內(nèi)，整流罩直接暴露在外部環(huán)境中，若不采取措施，在海南高溫高濕環(huán)境中，罩內(nèi)溫濕度會(huì)飆升，遠(yuǎn)超空間站外部環(huán)境溫度小于30攝氏度、濕度小于60%的要求。

曾有人問，航天器在太空要經(jīng)受住上百攝氏度溫差的考驗(yàn)，為什么在地面上還要如此小心翼翼呢？

“空間站在進(jìn)入軌道工作狀態(tài)前，部分系統(tǒng)還處于休眠狀態(tài)，不能像在太空那樣應(yīng)對(duì)劇烈變化的溫度環(huán)境?！眲⒈f，這就好比一位優(yōu)秀運(yùn)動(dòng)員，在賽場上需要經(jīng)歷嚴(yán)寒酷暑的考驗(yàn)；但在去賽場的路上，還是應(yīng)該舒舒服服地坐在“空調(diào)大巴”中，保持最好的狀態(tài)。

主管設(shè)計(jì)師蘇虹介紹，為了給空間站營造一個(gè)“舒適”的溫濕度環(huán)境，研制團(tuán)隊(duì)不斷優(yōu)化整流罩空調(diào)供風(fēng)管路，把從空調(diào)出風(fēng)口到整流罩入風(fēng)口的溫度損失控制在零點(diǎn)幾攝氏度；與此同時(shí)，增加一條管路擴(kuò)大供風(fēng)量。直到發(fā)射前15分鐘，空調(diào)供風(fēng)管路才與整流罩分離。

另一個(gè)影響空間站艙體“乘坐”體驗(yàn)的關(guān)鍵點(diǎn)出現(xiàn)在艙箭分離時(shí)。

和整流罩一樣，航天器與火箭之間也要面對(duì)飛行時(shí)牢牢固定、分離時(shí)迅速可靠的矛盾需求。主管設(shè)計(jì)師孫璟介紹，以往我國航天器采用的分離裝置無法應(yīng)對(duì)空間站任務(wù)特點(diǎn)。為此，研制團(tuán)隊(duì)突破了既能“綁”得住大直徑航天器，又能快速、可靠、無污染分離的膨脹管分離技術(shù)。然而，在一次分離試驗(yàn)時(shí)，研制團(tuán)隊(duì)卻發(fā)現(xiàn)新型分離裝置對(duì)分離面的瞬間沖擊高達(dá)30000g，遠(yuǎn)超空間站艙體允許的6000g。

30000g的沖擊不僅會(huì)讓空間站艙體“不舒服”，還有可能損壞較脆的零部件。為此，研制團(tuán)隊(duì)聯(lián)合國內(nèi)優(yōu)勢力量開展攻關(guān)，既把傳統(tǒng)方式發(fā)揮到極致，又引入了顆粒阻尼等新技術(shù)，盡可能地讓沖擊波多跑些“彎路”、多干些“雜活”，從而消耗“體力”，把沖擊降低到3000g左右。這套方案做到了國際最優(yōu)，滿足了讓空間站“舒舒服服下車”的要求。

勝任力四：出發(fā)準(zhǔn)時(shí)

此次長五B火箭發(fā)射空間站核心艙任務(wù)，發(fā)射窗口還算寬裕。但后續(xù)發(fā)射的兩個(gè)實(shí)驗(yàn)艙要與核心艙交會(huì)對(duì)接，必須在規(guī)定時(shí)刻分秒不差地發(fā)射出去（即零窗口發(fā)射）。否則，實(shí)驗(yàn)艙上天后就會(huì)與核心艙失之交臂，后續(xù)耗費(fèi)巨大的代價(jià)調(diào)整軌道；發(fā)射任務(wù)甚至有可能在錯(cuò)過窗口后直接終止，等待下一個(gè)窗口重新組織發(fā)射，浪費(fèi)大量資源，嚴(yán)重影響任務(wù)周期。

對(duì)于“長五”“長五B”這樣采用大規(guī)模液氫、液氧等低溫燃料的液體運(yùn)載火箭來說，發(fā)射前動(dòng)作非常復(fù)雜，實(shí)現(xiàn)零窗口發(fā)射難度很大。其中，發(fā)動(dòng)機(jī)的“預(yù)冷”就是可能延遲火箭發(fā)射的重要因素之一。

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)使用的液氫燃料達(dá)零下250多攝氏度、液氧燃料達(dá)零下180多攝氏度。為了防止這兩種深低溫燃料在進(jìn)入處于常溫狀態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)后發(fā)生意外，要在此之前預(yù)先降低發(fā)動(dòng)機(jī)溫度，即給發(fā)動(dòng)機(jī)“預(yù)冷”。長五火箭首飛任務(wù)就曾因兩臺(tái)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)遲遲冷不下來，導(dǎo)致發(fā)射推遲。

長五B火箭副總師王維彬介紹，從那以后，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制隊(duì)伍通過大量的研究改進(jìn)與試驗(yàn)驗(yàn)證，進(jìn)一步提高了發(fā)動(dòng)機(jī)工作的可靠性與穩(wěn)定性，并在每次發(fā)射前100分鐘左右，提前開展一定程度預(yù)冷。就像汽車啟動(dòng)前，給點(diǎn)油先試試，如果有問題可以提前解決，從而確保發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)射前不會(huì)“發(fā)燒”、按時(shí)完成預(yù)冷等工作。

長五火箭副總師賀建華介紹，在地面設(shè)備方面，型號(hào)采用遠(yuǎn)程調(diào)節(jié)等方式，也保證了發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷等發(fā)射前環(huán)節(jié)的安全、順利推進(jìn)。

長五火箭在近幾次發(fā)射任務(wù)中，均實(shí)現(xiàn)了零窗口發(fā)射，為后續(xù)執(zhí)行其他空間站艙段零窗口發(fā)射驗(yàn)證了關(guān)鍵技術(shù)。

勝任力五：入軌精準(zhǔn)

送航天器執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)，準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火只是一個(gè)開始，精準(zhǔn)入軌才是圓滿成功的標(biāo)志。

除“長五B”外，我國其他運(yùn)載火箭的末級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力較小，再輔以推力更小的姿態(tài)控制發(fā)動(dòng)機(jī)，較容易在航天器入軌前對(duì)其位置與姿態(tài)進(jìn)行微調(diào)，從而確保精確入軌。

長五B火箭只有一個(gè)芯級(jí)。這雖然可以避免發(fā)動(dòng)機(jī)高空點(diǎn)火的風(fēng)險(xiǎn)，但也增加了直接入軌的難度——完全靠總推力達(dá)百噸級(jí)的兩臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)來調(diào)節(jié)入軌精度，猶如“請(qǐng)張飛繡花”。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后還有“后效”，類似燃?xì)庠铋]火后的“余火”，也會(huì)影響航天器入軌精度。

王維彬介紹，確保大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)全程穩(wěn)定工作最為關(guān)鍵。研制團(tuán)隊(duì)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)持續(xù)進(jìn)行優(yōu)化，并開展大規(guī)模試驗(yàn)驗(yàn)證。在載人航天工程總體的支持下，研制團(tuán)隊(duì)在5萬多秒試車的基礎(chǔ)上，針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)新改進(jìn)部分又進(jìn)行了1萬多秒試車，充分驗(yàn)證了重大改進(jìn)的可靠性。他們還根據(jù)試車情況對(duì)其他細(xì)微環(huán)節(jié)進(jìn)行改進(jìn)，消除一切可能的薄弱環(huán)節(jié)。此外，發(fā)動(dòng)機(jī)研制團(tuán)隊(duì)還根據(jù)試車結(jié)果，給出了“后效”的預(yù)測值。

針對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)“后效”等不確定因素，研制團(tuán)隊(duì)利用數(shù)學(xué)仿真“打靶”的方法模擬出上萬種情況，以驗(yàn)證制導(dǎo)控制率設(shè)計(jì)的正確性。長五火箭副總師李學(xué)鋒說，即便預(yù)測的“后效”與實(shí)際情況有出入，控制系統(tǒng)也能確保火箭精確入軌。

火箭彈道總體設(shè)計(jì)師王建明介紹，除了考慮火箭動(dòng)力系統(tǒng)的偏差，還要考慮結(jié)構(gòu)、控制等方面的偏差，以完善彈道設(shè)計(jì)，確保高精度入軌。在長五B火箭的首次飛行試驗(yàn)中，入軌精度堪稱“正中靶心”，足以證明各系統(tǒng)為此開展的工作充分有效，標(biāo)志著我國已突破了大推力直接入軌這一世界級(jí)難題。

勝任力六：質(zhì)量過硬

“載人航天，人命關(guān)天?！痹谖覈卮蠛教旃こ讨?，載人航天的可靠性、安全性要求尤為特殊，必須按照“要求更嚴(yán)、工作更細(xì)、標(biāo)準(zhǔn)更高、作風(fēng)更硬”來開展一切工作。

長五系列火箭從設(shè)計(jì)源頭就極為注重質(zhì)量，其設(shè)計(jì)可靠性高達(dá)0.98，達(dá)到了國際一流水平。在研制與發(fā)射實(shí)踐中，長五團(tuán)隊(duì)又總結(jié)形成了一套成體系、行之有效的質(zhì)量保證工作方法。此次長五B火箭試驗(yàn)隊(duì)質(zhì)量負(fù)責(zé)人高翌春介紹，“7+7”質(zhì)量管理要求就誕生于長五火箭研制隊(duì)伍。

在此次發(fā)射任務(wù)中，除了“7+7”等常規(guī)要求，試驗(yàn)隊(duì)還對(duì)標(biāo)載人航天工程，進(jìn)一步加嚴(yán)質(zhì)量管理要求。

長五B火箭副總師陳建華是120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)總負(fù)責(zé)人。在此次任務(wù)中，他帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)照載人航天工程標(biāo)準(zhǔn)和“7+7”要求，把液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)所涉及的相關(guān)質(zhì)量要求重新梳理了一遍，逐條對(duì)照落實(shí)。

長五B火箭助推器采用的120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)自首飛起，飛行過程從未出現(xiàn)過質(zhì)量問題。但陳建華認(rèn)為，每一次任務(wù)、每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)、每一個(gè)零部件的質(zhì)量要求都不能放松。比如，對(duì)于涉及發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火的關(guān)鍵產(chǎn)品，陳建華開展了多次質(zhì)量復(fù)查工作，直至查到產(chǎn)品具體的生產(chǎn)負(fù)責(zé)人才放心。

此外，遠(yuǎn)程測試網(wǎng)絡(luò)等新手段的應(yīng)用，也有助于提高工作效率、加強(qiáng)質(zhì)量保證。在此次任務(wù)中，前后方數(shù)據(jù)判讀聯(lián)動(dòng)機(jī)制正式建立，前后方可以便捷地分享測試數(shù)據(jù)，省去了冗長的信息擺渡工作。長五B火箭副總師田建東負(fù)責(zé)此次任務(wù)的后方支援工作。通過前后方聯(lián)動(dòng)，后方專家隊(duì)伍的把關(guān)作用得以充分發(fā)揮，進(jìn)一步確保測試數(shù)據(jù)的判讀質(zhì)量，為任務(wù)成功提供了強(qiáng)大保障。