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从点火到入轨一气呵成 它是我国首个一级半构型火箭

2020-05-06 00:00 来源:科技日报 贾智云 姜 哲 本报记者 付毅飞

  2020年5月5日,长征五号B运载火箭在中国文昌航天发射场首飞成功,揭开了我国载人航天空间站建设的大幕。

  长征五号B运载火箭是我国首个一级半构型火箭。什么是火箭构型?一级半的长征五号B运载火箭强在哪?本文带您了解它身上的黑科技。

  无级间分离提升系统可靠性

  按照构型,火箭分为单级火箭和多级火箭两类,火箭助推器通常被算作半级。

  目前我国航天任务采用较多的是多级火箭。其工作特点是,火箭点火后一级发动机开始工作,燃料用完,一级发动机关机,并和燃料储箱一起从箭体上分离。其余各级发动机也是如此,通过这种“卸包袱”的形式,让火箭轻装前行,持续获得良好的加速性能。在此基础上,各级火箭分别承担“起跑、加速跑、冲刺”的任务。

  长征五号B运载火箭是在一级上捆绑了4个助推器,属于一级半火箭。相比多级火箭的“接力”,它则是从点火到入轨一气呵成,是我国现役运载火箭中唯一一款直接入轨的火箭。

  这样的构型不仅丰富和完善了我国新一代运载火箭型谱,也提升了系统可靠性。要知道,级间分离是火箭飞行中最容易出现问题的环节之一。火箭级间分离时,下级发动机关机,级间分离火工品工作使两级分开。为避免分开的两级发生“追尾”和“碰撞”,要用侧推小火箭或反推小火箭点火,让分离开的两级隔出一段安全距离,上级火箭发动机再点火继续飞行。这一系列动作十分复杂,对控制的要求极高。长征五号B运载火箭系统简单,无级间分离,可靠性自然就高。

  要“上得去”并“送得准”

  一级半直接入轨虽然“简单粗暴”,要实现却不容易,需要满足两个基本条件:推力够大“上得去”、精确入轨“送得准”。

  长征五号B运载火箭未来将承担空间站舱段运送任务,是我国近地轨道运载能力最大的火箭。它的底气来源于我国为新一代运载火箭研制的2款发动机,充分发掘了液氧煤油发动机大推力、氢氧发动机高比冲的优势。

  该火箭的4个助推器配置了共8台YF-100液氧煤油发动机,地面推力可达9600千牛。这样的推力能让火箭点火后获得较大加速度。火箭一级配置的2台YF-77氢氧发动机具备高比冲的特点,能使火箭以较少燃料获得较大推力。但对于一级半火箭来说,没有上面级进行轨道修正,如何保证入轨精度?

  为此,火箭研制团队研发了大推力直接入轨技术。该技术能在火箭点火之后,依靠先进的制导技术,不断调整火箭弹道,直奔目标而去。为了实现“自动驾驶”,研制团队在长征五号B运载火箭上创新运用了姿态控制增益优化和复合制导方法,提高了火箭姿态控制精度。

  同时,长征五号B运载火箭还运用了大直径舱箭分离技术。未来实施空间站发射任务时,当火箭把空间站舱段送到预定位置,两者就要分离。空间站舱段重达20多吨,和火箭连接接口直径超过4米,分离时稍有磕碰或“较劲”,都有可能出现损伤。研制团队围绕降低和改善冲击环境开展专题攻关,采用“隔冲框+阻尼盒”的降冲击方案,并应用“颗粒阻尼技术”,以实现减振降噪效果,让火箭上的“乘客”在“到站”后,能够安全“下车”。

  整流罩不止于大

  长征五号B运载火箭身上还有多项国内首创的黑科技,比如整流罩。

  整流罩是运载火箭的重要组成部分,用于保护卫星或其他有效载荷免受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响。长征五号B运载火箭拥有目前我国最长最大的整流罩,整流罩长达20.5米,相当于6层楼高,直径达到5.2米。如此宽敞的空间,是为发射空间站核心舱和实验舱量身打造的。

  为了改善气动特性,该整流罩采用了冯·卡门曲线外形。冯·卡门曲线是一种非线性曲线,可以更好地减小空气阻力,减轻载荷所受影响。但如此外形的整流罩,展开之后并不是一个平面,而是立体的,制造难度高于传统的锥形整流罩。

  作为我国长度最长、重量最重的整流罩,另一个技术难点在于如何保证分离时的安全可靠。经过多方案对比,科技人员确定采用旋转式分离方案,并为此开展了大量仿真分析,以及多次整流罩分离试验,有效验证了设计正确性和各系统接口协调性。

  开创“冰箭”零窗口发射先河

  火箭发射窗口指允许火箭发射的时间范围,一般需要综合权衡卫星或飞船入轨要求以及多种限制条件后确定,比如卫星的轨道精度要求、地球与行星的相对位置要求等。“零窗口”是指发射时间范围为零的发射窗口,也就是要求火箭必须分秒不差地点火升空。

  未来的空间站交会对接任务,对长征五号B运载火箭也提出了“零窗口”发射需求,发射时间精度误差要控制在1秒以内。作为采用液氢、液氧等低温推进剂的“冰箭”,长征五号B运载火箭的“零窗口”发射有着更高技术含量和更大难度。此次发射成功,也开创了新一代运载火箭“零窗口”发射的先河。

  为了实现“零窗口”发射,火箭各系统要确保在点火前一段时间就完成各项准备。但低温推进剂加注后会不停地蒸发消耗,因此长征五号B运载火箭的准备状态并不是越早越好,而要严格按照时间要求精准完成,并且为应对各种情况充分做好预案。

  作为我国最复杂的运载火箭,长征五号B运载火箭发射前非常繁忙,任何一处细微差错都可能造成发射流程延误,进而影响“零窗口”的实现。研制团队通过开展大量分析和试验,实现了关键系统可靠性提升;通过射前流程优化,进一步提高了各系统对于“零窗口”发射的适应性,最终保证了任务成功实施。

(责任编辑:王蔚)

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