我國(guó)“神箭”長(zhǎng)二F火箭的不平凡發(fā)展之路

1961年4月11日上午，蘇聯(lián)拜科努爾航天中心，“東方-1”號(hào)飛船搭乘“東方-K”火箭發(fā)射升空。航天員加加林環(huán)繞地球一圈，飛行108分鐘，成為人類進(jìn)入太空第一人。

60年之后的2021年6月17日，中國(guó)酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭托舉神舟十二號(hào)載人飛船升入太空，約6.5小時(shí)后，飛船將與中國(guó)空間站天和核心艙完成交會(huì)對(duì)接，聶海勝、劉伯明、湯洪波等3人進(jìn)入中國(guó)空間站，成為中國(guó)載人航天工程第三步第一批入駐空間站的航天員。

逢五逢十的年份尤其受到中國(guó)人喜歡而被紀(jì)念。在世界載人航天60周年到來(lái)之際，中國(guó)開(kāi)始獨(dú)立建造自己的空間站，時(shí)間雖屬巧合，卻也讓人精神振奮。這一甲子，中國(guó)航天走過(guò)了從無(wú)到有再到世界先進(jìn)的不平凡之路。

當(dāng)然，這一切也離不開(kāi)我們今天的主角——被譽(yù)為“神箭”的長(zhǎng)二F火箭。

美蘇冷戰(zhàn)時(shí)期，載人航天技術(shù)獲得飛速發(fā)展，開(kāi)發(fā)利用太空、創(chuàng)造生活新天地已成為各國(guó)的追求。在這方面，中國(guó)自然也不例外。

1971年，中國(guó)設(shè)計(jì)出一艘載人飛船，命名為“曙光號(hào)”，可這個(gè)夢(mèng)想只停留在圖紙上，最終隕落于“文化大革命”的口號(hào)標(biāo)語(yǔ)之中。

不過(guò)，中國(guó)人對(duì)太空的探索并沒(méi)有就此止步。

1986年，“863”計(jì)劃啟動(dòng)，中國(guó)圍繞載人航天開(kāi)展了長(zhǎng)時(shí)間的探索和研究工作，并圍繞3種方案——載人飛船、小型航天飛機(jī)和空天飛機(jī)，開(kāi)展了廣泛研究。由于載人飛船的技術(shù)相對(duì)簡(jiǎn)單，結(jié)合具體的國(guó)情，中國(guó)最后將載人航天方案確定為發(fā)射載人飛船。

1992年9月21日，中共中央政治局第十三屆常委會(huì)第195次會(huì)議正式批準(zhǔn)載人航天工程立項(xiàng)，并將此作為重點(diǎn)工程列入國(guó)家計(jì)劃。這就是我們現(xiàn)在常說(shuō)的“921工程”。

立項(xiàng)之初，上級(jí)確定了載人航天工程“爭(zhēng)八保九”的目標(biāo)。所謂“爭(zhēng)八保九”，就是力爭(zhēng)1998年、確保1999年發(fā)射第一艘無(wú)人飛船。

想要把載人飛船送上天，就離不開(kāi)大推力的火箭。1990年，長(zhǎng)二捆火箭成功發(fā)射，為把中國(guó)人送上太空提供了可能。但是，長(zhǎng)二捆火箭的安全性和可靠性尚不能滿足載人的需求。

“載人航天，人命關(guān)天”，必須設(shè)計(jì)出一種符合載人要求的新型火箭，它將部分繼承長(zhǎng)二捆火箭的技術(shù)又要有所優(yōu)化。這個(gè)任務(wù)就落到了原航空航天部一院劉竹生及其團(tuán)隊(duì)的身上——他開(kāi)始擔(dān)任載人運(yùn)載火箭的副總設(shè)計(jì)師。

過(guò)了不久，載人火箭被命名為“長(zhǎng)二F”。劉竹生與普通設(shè)計(jì)人員的職責(zé)不同，他的主要任務(wù)是做技術(shù)總體控制。

經(jīng)過(guò)深入調(diào)查研究，他發(fā)現(xiàn)：從世界航天史的故障發(fā)生情況來(lái)看，70%左右的故障發(fā)生在火箭的上升段，而飛船在待發(fā)段和上升段最大的危險(xiǎn)來(lái)自火箭。

在劉竹生的主持下，長(zhǎng)二F火箭制定了高質(zhì)量、高可靠性、高安全性的總體方案，最終可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了0.97，比一般火箭的0.93高出了0.04。除此之外，長(zhǎng)二F火箭還增加了其他火箭所沒(méi)有的故障檢測(cè)診斷技術(shù)和逃逸技術(shù)。

時(shí)間來(lái)到1998年6月，劉竹生被正式任命為長(zhǎng)二F火箭總設(shè)計(jì)師，一場(chǎng)由他“領(lǐng)銜主演”的科技大戰(zhàn)開(kāi)始了。

為檢驗(yàn)逃逸分系統(tǒng)設(shè)計(jì)的安全性，當(dāng)年9月，劉竹生趕赴酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心進(jìn)行第一次零度高空逃逸飛行試驗(yàn)。10月19日清晨，隨著指揮員的一聲令下，逃逸塔騰空而起，帶著飛船的返回艙和軌道艙沿預(yù)定軌跡飛行，整流罩上的4個(gè)柵格翼同時(shí)打開(kāi)。飛行到1.9千米高空時(shí)，飛船與逃逸塔順利分離。長(zhǎng)二F火箭首飛進(jìn)入最后沖刺階段。

1999年11月20日清晨6時(shí)許，長(zhǎng)二F火箭準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火升空，將我國(guó)第一艘無(wú)人試驗(yàn)飛船神舟一號(hào)送入預(yù)定軌道，火箭各系統(tǒng)工作正常，飛行試驗(yàn)獲得圓滿成功。

“爭(zhēng)八保九”實(shí)現(xiàn)了。

今生：神箭護(hù)神舟飛天

遨游太空，一夢(mèng)千年。

隨著載人航天工程的逐步推進(jìn)，長(zhǎng)二F火箭接連送神舟二號(hào)飛船到神舟六號(hào)飛船進(jìn)入太空，楊利偉、費(fèi)俊龍、聶海勝3名中國(guó)航天員也先后進(jìn)行了航天飛行，中國(guó)載人航天工程第一步圓滿完成。

2006年，劉竹生退居二線，將長(zhǎng)二F火箭總設(shè)計(jì)師的“帥印”交到了航天科技集團(tuán)一院的荊木春手里。

2008年，中國(guó)載人航天工程第二步拉開(kāi)帷幕。為滿足這個(gè)階段的任務(wù)需求，荊木春帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)對(duì)長(zhǎng)二F火箭進(jìn)行了迭代升級(jí)：“我們稱之為長(zhǎng)征二號(hào)F改進(jìn)型火箭?！?/p>

研制團(tuán)隊(duì)計(jì)算過(guò)，各種技術(shù)狀態(tài)的更改一共有100多項(xiàng)，而其中有多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)在國(guó)內(nèi)火箭研制史上都是首次應(yīng)用。

例如，為滿足天宮一號(hào)的發(fā)射需求，長(zhǎng)二F火箭不僅要大幅提升運(yùn)載能力，還要有能包絡(luò)天宮一號(hào)的整流罩。

面對(duì)難題，荊木春帶領(lǐng)研制團(tuán)隊(duì)反復(fù)計(jì)算、查閱資料、模擬驗(yàn)證，提出采用馮·卡門曲線整流罩的設(shè)計(jì)方案，并最終為天宮一號(hào)披上了這件特制的“外衣”。

不僅如此，天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器和神舟八號(hào)飛船先后被送入預(yù)定軌道后要進(jìn)行交會(huì)對(duì)接，這對(duì)火箭入軌精度也提出很高要求。

荊木春主持研制的迭代制導(dǎo)技術(shù)像開(kāi)車時(shí)用的導(dǎo)航一樣，可以讓火箭在飛行過(guò)程中，實(shí)時(shí)計(jì)算位置，及時(shí)糾正路線，從而保證入軌精度。

2014年，荊木春將長(zhǎng)二F火箭總設(shè)計(jì)師的“帥印”傳給一院的張智，自己來(lái)到了火箭總指揮的崗位。

2014—2020年這6年里，張智與荊木春密切合作，圓滿完成了天宮二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室、神舟十一號(hào)飛船的發(fā)射，讓中國(guó)載人航天工程第二步畫上了圓滿句號(hào)。

今年，空間站建設(shè)任務(wù)拉開(kāi)帷幕，“建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問(wèn)題”這一重大任務(wù)擺在中國(guó)航天人的面前。

時(shí)隔5年，長(zhǎng)二F火箭再次進(jìn)入密集發(fā)射的階段。這時(shí)，一院的女性航天專家容易接過(guò)張智手中的“帥印”，與荊木春合力打造航天員的“專列”。

“沒(méi)想過(guò)會(huì)接到長(zhǎng)二F火箭總設(shè)計(jì)師的任命，但到了這個(gè)崗位，就把該做的事做好?！比菀渍f(shuō)。D29D2B94-AE6C-4A5D-B46D-560E633E5A64

2011—2016年，容易參加了載人航天工程交會(huì)對(duì)接和空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)所有的發(fā)射，包括天宮一號(hào)、天宮二號(hào)、神舟八號(hào)、神舟九號(hào)、神舟十號(hào)、神舟十一號(hào)。其中，她3次擔(dān)任火箭系統(tǒng)逃逸安控負(fù)責(zé)人、1次參加逃逸安控技術(shù)把關(guān)、3次任發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)火箭指揮，載人航天經(jīng)驗(yàn)十分豐富。

理工科出身的容易理性、冷靜，但在神舟九號(hào)任務(wù)時(shí)，她經(jīng)歷了前所未有的緊張。

2012年6月16日，神舟九號(hào)發(fā)射，景海鵬、劉洋、劉旺等3位航天員乘長(zhǎng)二F火箭進(jìn)入太空。容易作為逃逸安控的技術(shù)把關(guān)人，在大屏幕上看到航天員進(jìn)入自己參與設(shè)計(jì)的火箭時(shí)，心提到了嗓子眼。

“毫不夸張地說(shuō)，那一刻，航天員的生命就寄托在我們身上。我真正意識(shí)到‘載人航天，人命關(guān)天不是一句口號(hào)，而是給航天員的承諾，我們必須把工作做好?！比菀讋?dòng)情地說(shuō)。

長(zhǎng)二F火箭作為我國(guó)目前唯一一型載人火箭，它的技術(shù)更改受到嚴(yán)格控制，必須經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的兩報(bào)兩批，即先向“中國(guó)載人航天工程辦公室”報(bào)批想要更改的技術(shù)，辦公室論證通過(guò)后予以批復(fù);技術(shù)更改完成后再向辦公室報(bào)批，辦公室確認(rèn)后予以最終批復(fù)。

“勿以善小而不為，我們不會(huì)因?yàn)槟硞€(gè)技術(shù)狀態(tài)變化不出彩、不上臺(tái)面就不改。只要是對(duì)火箭質(zhì)量、可靠性和安全性提升有利，對(duì)航天員安全有利，我們都會(huì)去做。”容易表示。

在本次任務(wù)中，長(zhǎng)二F火箭有108項(xiàng)技術(shù)狀態(tài)變化，每一項(xiàng)都非常細(xì)小，但只要是薄弱點(diǎn)，容易及其團(tuán)隊(duì)就不會(huì)放棄更改。

比如，增加起飛滾轉(zhuǎn)狀態(tài)，讓火箭可根據(jù)任務(wù)需求隨時(shí)更改射向，提高靈活性，不必拘泥于地面設(shè)施的方位;增加逃逸塔逃逸方向，解決返回艙在逆風(fēng)等情境下，可能被重新帶回危險(xiǎn)區(qū)域的問(wèn)題;更改逃逸安控體制，將火箭上的安控指令接收機(jī)和逃逸塔上的逃逸指令接收機(jī)合二為一，改為逃逸安控指令接收機(jī)，提高火箭的自主性和抗干擾能力;細(xì)化火箭二級(jí)尾艙中的力學(xué)環(huán)境，從較為籠統(tǒng)的溫度、震動(dòng)、壓力、沖擊等要求，改為精細(xì)化數(shù)據(jù)，讓每個(gè)系統(tǒng)單機(jī)進(jìn)一步“有法可依”，提升火箭可靠性;提高發(fā)動(dòng)機(jī)傳火孔閾度，讓火工品的作用力進(jìn)一步擴(kuò)大，避免出現(xiàn)點(diǎn)火失敗的情況;改進(jìn)二級(jí)油機(jī)推力室噴柱口，讓推進(jìn)劑燃燒更充分，保證發(fā)動(dòng)機(jī)比沖……如此種種，不勝枚舉。

“本次發(fā)射任務(wù)最大的亮點(diǎn)是準(zhǔn)備了應(yīng)急發(fā)射預(yù)案?！比菀捉榻B，和以往不同，這次長(zhǎng)二F遙十二和遙十三火箭同時(shí)進(jìn)場(chǎng)，同時(shí)總測(cè)?！斑b十二火箭總測(cè)整流罩和逃逸塔，遙十三火箭總測(cè)火箭基礎(chǔ)級(jí)，工作完成后再進(jìn)行交換，確保兩發(fā)火箭同時(shí)總測(cè)完畢。”

在長(zhǎng)二F遙十二火箭發(fā)射后，長(zhǎng)二F遙十三火箭會(huì)垂直停在廠房，進(jìn)入應(yīng)急發(fā)射待命狀態(tài)，隨時(shí)準(zhǔn)備發(fā)射神舟十三號(hào)飛船，應(yīng)對(duì)神舟十二號(hào)飛船在太空中被碎片擊中或不能正常脫離空間站等多種可能出現(xiàn)的情況。

“這種應(yīng)急發(fā)射待命狀態(tài)要持續(xù)3個(gè)月，直到航天員順利返回地球?！比菀渍f(shuō)。

本次發(fā)射任務(wù)結(jié)束后，長(zhǎng)二F火箭發(fā)射試驗(yàn)隊(duì)員將各自返回工作單位，但他們的神經(jīng)依然緊繃——他們會(huì)提前打包好隨身行李和相關(guān)技術(shù)文件，如遇突發(fā)情況，他們將從各單位甚至是出差地迅速集結(jié)到酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，用最快8.5天的時(shí)間將神舟十三號(hào)飛船發(fā)射升空。

容易坦言，應(yīng)急救援時(shí)間緊、壓力大，試驗(yàn)隊(duì)員將采取24小時(shí)三班倒的方式進(jìn)行火箭總測(cè)，“事關(guān)航天員的安全，一切都馬虎不得?！?/p>

應(yīng)急救援預(yù)案如未啟動(dòng)，長(zhǎng)二F遙十三火箭和神舟十三號(hào)飛船將按照正常流程進(jìn)行總測(cè)，預(yù)計(jì)于今年10月發(fā)射。

未來(lái)：環(huán)?？煽啃乱淮?/p>

展望未來(lái)，科技制勝。

近年來(lái)，人類對(duì)月球和火星的探測(cè)再次進(jìn)入黃金時(shí)期，美國(guó)提出了重返月球的“阿爾忒彌斯計(jì)劃”，目標(biāo)是2024年將宇航員平安送往月球并返回，同時(shí)建立常態(tài)化駐留機(jī)制，為未來(lái)的火星載人登陸任務(wù)鋪就道路。俄羅斯也計(jì)劃于2028年發(fā)射重型火箭。中國(guó)作為航天大國(guó)，必然也不落人后。

俗話說(shuō)，火箭的能力有多大，航天的舞臺(tái)就有多大。在迭代升級(jí)運(yùn)載火箭這件事上，中國(guó)航天人從未停止腳步。2016年，隨著長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)火箭首飛，我國(guó)新一代運(yùn)載火箭進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)水平。

研制長(zhǎng)二F火箭的“替代箭”一事也早已提上日程。該火箭分為兩型，將使用無(wú)毒無(wú)污染的推進(jìn)劑，推力更大，安全性、可靠性更高，主要用于載人登月和近地軌道航天員運(yùn)送，快速提升中國(guó)進(jìn)出空間的能力。這型火箭就是我國(guó)的新一代載人運(yùn)載火箭。

張智始終在載人火箭的隊(duì)伍里。卸任長(zhǎng)二F火箭總設(shè)計(jì)師后，他又來(lái)到新一代載人運(yùn)載火箭總設(shè)計(jì)師的崗位，目前已帶領(lǐng)團(tuán)隊(duì)走到火箭關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及深化論證階段。

張智透露，用于載人登月的新一代載人火箭高度超100米，采用三級(jí)半構(gòu)型，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力近25噸，在繼承長(zhǎng)征五號(hào)和長(zhǎng)征七號(hào)火箭成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，創(chuàng)新升級(jí)逃逸系統(tǒng)和故障檢測(cè)診斷系統(tǒng)，進(jìn)一步保證航天員的安全。

據(jù)了解，我國(guó)的載人登月方案原有6種，經(jīng)過(guò)多方論證，最終確定了與“阿爾忒彌斯計(jì)劃”相似的方案，即進(jìn)行兩次發(fā)射，分別將載人飛船和月面著陸器送入月球軌道，兩器在月球軌道交會(huì)對(duì)接，以組合體的形式飛行一段時(shí)間后再分開(kāi)，航天員乘坐著陸器登月?？茖W(xué)考察完畢后，航天員再乘坐上升器從月面起飛，進(jìn)入月球軌道與載人飛船對(duì)接，換乘之后拋棄上升器，返回地球。

用于近地軌道的載人火箭則是從載人登月火箭演化而來(lái)。張智表示，該火箭為兩級(jí)構(gòu)型，近地軌道運(yùn)載能力近20噸，將推動(dòng)中國(guó)載人航天事業(yè)步入新的階段。

明年，中國(guó)將建成長(zhǎng)期有人照料的載人空間站，這距離“921工程”立項(xiàng)整30年。又恰好逢十，又是中國(guó)人喜歡的節(jié)點(diǎn)，又會(huì)發(fā)生哪些故事？D29D2B94-AE6C-4A5D-B46D-560E633E5A64