適應空間站任務的高可靠長征二號F運載火箭

荊木春，秦 曈，宋 晶，柳海龍，李文清

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

2021年6月17日上午9時27分，長征二號F（CZ-2F）運載火箭成功將搭載聶海勝、劉伯明、湯洪波3名航天員的神舟十二號載人飛船準確送入預定軌道，標志著中國空間站建造及關鍵技術驗證階段的首次載人任務圓滿成功。

CZ-2F運載火箭是中國唯一一型載人運載火箭。從1992年，中國載人航天工程開始，CZ-2F運載火箭就以高可靠、高安全為目標，按照一定的可靠性設計原則，開展設計工作。火箭的可靠性指標從原來的0.91提升至0.97，實現(xiàn)了運載火箭從功能性設計向可靠性設計的轉變。同時，為了進一步保障航天員的安全，CZ-2F火箭增加了故障檢測處理系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)，可以在火箭出現(xiàn)故障的情況下，依靠逃逸救生來保障航天員的安全。并通過零高度逃逸救生、逃逸飛行器最大速度頭模擬飛行等試驗，驗證了逃逸系統(tǒng)的正確性。CZ-2F火箭的安全性指標為0.997，與國外載人運載火箭相比，達到了世界先進水平。

自長征二號F運載火箭二期研制以來，型號研制隊伍不斷進取，通過一系列的技術創(chuàng)新，在保證如空間實驗室交會對接等重大任務圓滿完成的同時，還持續(xù)提升CZ-2F的可靠性。以發(fā)射神舟十二號載人飛船的CZ-2F遙12火箭為例，相比遙11火箭有109項技術狀態(tài)變化，絕大多數(shù)都是為了提升火箭的可靠性。通過一系列的技術創(chuàng)新和設計改進，CZ-2F火箭的可靠性已經(jīng)由原來的0.97提升至0.98，為空間站關鍵技術驗證及建造階段（簡稱“空間站建造階段”）的順利實施提供了有力保障。本文結合空間站建造階段對CZ-2F火箭新的任務需求，重點介紹CZ-2F火箭為保持高可靠性做出的技術改進、研究方法以及流程優(yōu)化等方面的工作。

1 逃逸控制發(fā)動機點火時序完善

低空逃逸，特別是發(fā)射臺逃逸是CZ-2F火箭所有逃逸程序中最為復雜的一項。雖然在早期研制過程中進行過零高度逃逸試驗，但針對在不同方向低空風對逃逸的影響，還需要開展進一步深入分析。

CZ-2F火箭聯(lián)合飛船系統(tǒng)針對歷史實測低空風場對低空逃逸救生的影響進行了分析，發(fā)現(xiàn)在少量低空風的作用下，發(fā)射臺逃逸時存在返回艙落點距離發(fā)射點小于500 m情況，有可能造成返回艙重新落入故障火箭爆炸范圍內，對航天員生命安全造成威脅。

為了進一步增加逃逸救生的可靠性，保證航天員的安全。針對有風情況下發(fā)射臺逃逸，提出了改變逃逸飛行器控制發(fā)動機點火策略，以提高對于低空風場的適應性。將原來只有控發(fā)Ⅲ點火的狀態(tài)改為根據(jù)射前低空風情況選擇控發(fā)Ⅱ或者控發(fā)Ⅲ點火，可以有效降低返回艙落入危險區(qū)的可能性。根據(jù)分析結果，采取更改控制逃逸發(fā)動機點火策略、在射前決策控制發(fā)動機點火狀態(tài)的措施，以提高在低空風的作用下返回艙落點遠離危險區(qū)的概率。發(fā)射臺逃逸控制發(fā)動機點火方向示意見圖1。

圖1 發(fā)射臺逃逸控制發(fā)動機點火方向示意Fig.1 The Sketch of Escape Control Engine IgnitionDirectionon the Launch Pad

針對有風情況下發(fā)射臺逃逸，飛船系統(tǒng)、火箭系統(tǒng)和發(fā)射場系統(tǒng)針對增加逃逸飛行器控制發(fā)動機Ⅱ點火功能，分別對控制發(fā)動機Ⅱ或Ⅲ點火情況下的逃逸情況開展了仿真分析。對“無傾倒、偏航傾倒-6°、偏航傾倒6°、俯仰傾倒84°、俯仰傾倒96°”5種極限工況，火箭系統(tǒng)分別計算了標準狀態(tài)下控發(fā)Ⅱ、控發(fā)Ⅲ點火的二次分離點參數(shù)，飛船系統(tǒng)結合210組低空風場進行了仿真，結果表明能夠控制返回艙不落入危險區(qū)。

以其中最惡劣工況為例，飛船落點散布如圖2所示，控發(fā)Ⅱ或控發(fā)Ⅲ點火均不能完全避免返回艙落入危險區(qū)，但個別落入危險區(qū)的情況屬于不同風場，實際任務中可根據(jù)實測風場計算結果選擇點火控制發(fā)動機來避免落入危險區(qū)。

圖2 返回艙落點散布 Fig.2 The Dispersion of Return Capsule Falling Points

因此，通過增加逃逸飛行器控制發(fā)動機Ⅱ點火功能可以有效避免出現(xiàn)在少量低空風的作用下，發(fā)射臺逃逸時存在返回艙落點距離發(fā)射點小于500 m情況，進一步保證航天員的逃逸安全。

2 全箭FMEA再分析

在CZ-2F Y12火箭研制過程中，為了進一步提高火箭對故障的適應性能力，消除薄弱環(huán)節(jié)。針對全箭各系統(tǒng)產(chǎn)品尤其是新研產(chǎn)品重新開展了一輪故障模式及影響分析工作（簡稱FMEA），包括設計FMEA、工藝FMEA和軟件FMEA，覆蓋準備階段、發(fā)射階段、飛行階段和逃逸階段，查找薄弱環(huán)節(jié)，確認設計改進和使用補償措施的充分性和有效性；對于繼承一期或僅相對一期適應性更改的產(chǎn)品，對一期的FMEA進行了復查、確認。表1為CZ-2F火箭任務階段劃分。

表1 CZ-2F火箭任務階段劃分 Tab.1 The Mission Stage of LM-2F

以總裝直屬件為例，首先明確產(chǎn)品在各任務階段的流程或活動，然后梳理環(huán)境條件及故障誘發(fā)因素，如圖3所示。

圖3 總裝直屬件產(chǎn)品任務階段劃分及環(huán)境條件Fig.3 The Mission Stages and Environment Conditions of Assemble Direct Parts

之后根據(jù)系統(tǒng)結構組成、任務階段和工作原理，繪制功能框圖，如圖4所示。

圖4 總裝直屬件產(chǎn)品功能層次與結構層次對應關系Fig.4 The Relationship of Faction Layer and Structure Layer of Assemble Direct Parts

總裝直屬件產(chǎn)品的主要功能有：承載、傳力功能，防氣流沖刷、防熱功能，實現(xiàn)分離功能，提供分離能源，實現(xiàn)安裝固定功能，逃逸飛行器推力方向調整和逃逸飛行器質心調整功能。

然后根據(jù)總裝直屬件產(chǎn)品在不同任務階段的故障檢測方法（見圖5），按照產(chǎn)品在不同階段下的可靠性框圖，開展FMEA分析。

圖5 裝直屬件產(chǎn)品故障模式檢測方法Fig.5 The Test Method of Assemble Direct Parts Fault Patterns

經(jīng)分析，CZ-2F火箭全箭各系統(tǒng)在準備階段故障模式為226個，Ⅰ、Ⅱ類單點故障模式為6個；發(fā)射階段故障模式為516個，Ⅰ、Ⅱ類單點故障模式為9個；飛行階段故障模式為1191個，Ⅰ、Ⅱ類單點故障模式為620個；逃逸階段故障模式為98個，Ⅰ、Ⅱ類單點故障模式為37個。針對所有故障模式制定有效措施，如設置強制檢驗點等，進一步提升全箭故障發(fā)生的概率，提升火箭可靠性。

3 全箭飛行時序鏈路分析

針對涉及控制系統(tǒng)、火工品、發(fā)動機等關鍵產(chǎn)品多，影響飛行成敗的點火、分離等關鍵環(huán)節(jié)，開展設計指標閉合檢查工作，重點關注各關鍵設計指標實現(xiàn)的情況。主要的工作思路和方法如下：

a）采用事件鏈的方法，按照系統(tǒng)功能實現(xiàn)的物理傳遞鏈路，全面梳理系統(tǒng)功能實現(xiàn)涉及的產(chǎn)品，包括單機設備、電纜、接插件等等，確保產(chǎn)品無遺漏；

b）針對梳理出的產(chǎn)品，以產(chǎn)品故障模式分析為線索，梳理產(chǎn)品關鍵設計指標，包括性能、可靠性、環(huán)境適應性、接口、可維修性等，確保關鍵設計指標辨識無遺漏；以環(huán)境適應性為例，針對電纜和接插件要關注具體安裝部位，電纜是否進行了有效防護，接插件在振動環(huán)境下是否會異常斷開等；

c）針對梳理出的關鍵設計指標，逐項檢查火箭產(chǎn)品的實測結果，檢查是否滿足設計指標要求。

針對點火-起飛（含變能蓄壓器工作）、逃逸塔分離、助推器分離、級間分離、整流罩分離、船箭分離共6個正常飛行時序功能，4個逃逸程序和船箭應急分離飛行時序功能，共11個關鍵環(huán)節(jié)開展指標閉合性檢查。以CZ-2F特有的逃逸程序I為例（逃逸時序Ⅰ鏈路如圖6所示），除檢查系統(tǒng)間時序動作協(xié)調匹配，還對故檢系統(tǒng)、火工品、發(fā)動機等重要產(chǎn)品的性能及安裝狀態(tài)進行檢查確認。

圖6 逃逸時序Ⅰ鏈路（Ⅲ象限控發(fā)先點火）Fig.6 The Link Sketch of Escape Program I (Ignition the Control Engine III)

通過對CZ-2F Y12火箭各系統(tǒng)射前地面工作流程和飛行時序的設計正確性，系統(tǒng)間時序動作協(xié)調匹配性，控制系統(tǒng)、火工品、發(fā)動機等重要產(chǎn)品的設計狀態(tài)、實際指標等重要因素進行事件鏈進行復查確認，保證了全箭飛行動作的穩(wěn)妥可靠。

4 應急救援流程設置

為保證航天員在空間站工作期間的安全，當?？靠臻g站的載人飛船發(fā)生不能安全返回的故障時，地面啟動載人飛船應急發(fā)射任務。因此，在航天員在空間站工作期間，需要在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心準備一發(fā)應急救援火箭值班，處于隨時待命狀態(tài)，以應對應急救援任務需求。

載人飛船應急發(fā)射流程有8.5天和16天兩種方案。兩種方案的適用條件分別為：

a）空間站及其對接的載入飛船出現(xiàn)故障，且關鍵功能相關備份產(chǎn)品已啟用，經(jīng)評估決策后，執(zhí)行8.5天應急發(fā)射方案；

b）空間站及其對接的載入飛船出現(xiàn)故障，但各項功能基本正常，暫不影響航天員生命安全的情況下，執(zhí)行16天應急發(fā)射方案。

4.1 8.5天應急救援發(fā)射方案

8.5天應急發(fā)射方案為：人員利用2天時間在發(fā)射場集結，發(fā)射場有效工作時間約6.5天。火箭在技術區(qū)經(jīng)過外觀檢查和狀態(tài)恢復后，即轉運到發(fā)射區(qū)開展測試工作，船罩組合體、逃逸塔在發(fā)射區(qū)與火箭進行對接，并完成后續(xù)應急救援發(fā)射任務。8.5天應急救援流程主要工作見圖7。

圖7 8.5天應急救援流程主要工作Fig.7 The Main Task of 8.5-day Emergency Rescue

4.2 16天應急救援發(fā)射方案

16天應急發(fā)射方案為：人員在發(fā)射場集結完畢后，載人飛船在11天內完成技術區(qū)廠房相關工作，之后在3天內完成船罩組合體、逃逸塔在技術區(qū)廠房與火箭對接，船箭塔組合體轉運至發(fā)射區(qū)，在發(fā)射區(qū)進行功能及接口檢查，火箭推進劑加注和發(fā)射等工作。

在執(zhí)行Y12火箭發(fā)射任務期間，為準備應急救援火箭，實際上Y12、Y13火箭同時完成的火箭出廠工作，相繼抵達酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心后，先開展應急救援值班火箭（Y13火箭）的產(chǎn)品恢復、吊裝、測試等工作，將基礎級以豎立狀態(tài)封存。之后再進行Y12火箭的正式流程，執(zhí)行神舟十二號載人飛船的發(fā)射任務。Y12火箭成功發(fā)射后，Y13火箭立即進入應急救援值班狀態(tài)，待神舟十二號任務的航天員安全返回后，Y13火箭解除應急救援值班狀態(tài)，進入正常的發(fā)射流程。Y12/Y13任務的主要流程見圖8。正在執(zhí)行應急救援值班任務的Y13火箭見圖9。

圖8 Y12/Y13任務的主要流程Fig.8 The Main Progress of LM-2F Y12 /Y13 Mission

圖9 正在執(zhí)行應急救援值班任務的Y13火箭Fig.9 The LM-2F Y13 Launch Vehicle on the Duty of Emergency Rescue

在整個空間站關鍵技術驗證及建造階段，CZ-2F火箭均按照這種“打一備一”及“滾動備份”的狀態(tài)，執(zhí)行神舟飛船的發(fā)射任務。應急救援狀態(tài)的準備，可以有效應對空間站及其上對接載人飛船可能的故障，進一步提高空間站任務期間航天員的安全性。

5 結 論

本文結合空間站建造階段對CZ-2F火箭新的任務需求，重點介紹了自2016年發(fā)射神舟十一號載人飛船后，CZ-2F火箭從技術改進、研究方法以及流程優(yōu)化等方面，進行的技術創(chuàng)新和可靠性提升方法。

通過增加逃逸飛行器控制發(fā)動機Ⅱ點火功能，進一步保證航天員的逃逸安全；通過按照不同任務階段開展了FMEA再分析和飛行時序鏈路分析，提升了全箭對故障模式的適應性；通過制定8.5天和16天兩種應急救援發(fā)射方案，滿足工程大總體提出的應急救援值班任務需求，進一步提高空間站任務期間航天員的安全性。

長征二號F運載火箭研制團隊將繼續(xù)保持“嚴慎細實”的工作作風，不斷進取，勇于創(chuàng)新，永不止步，始終將高可靠、高安全作為奮斗目標，為中國空間站任務順利實施提供強有力保障。