空間貨運(yùn)系統(tǒng)首次應(yīng)用“長七”再度飛天看點(diǎn)多

□ 文/高一鳴 左秋紅 攝/宿東

空間貨運(yùn)系統(tǒng)首次應(yīng)用“長七”再度飛天看點(diǎn)多

□ 文/高一鳴 左秋紅 攝/宿東

4月20日19時(shí)41分，由中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制的長征七號運(yùn)載火箭（以下簡稱“長七火箭”）從海南文昌航天發(fā)射場準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火，伴隨著巨大的轟鳴聲，長七火箭帶著天舟一號貨運(yùn)飛船奔向浩渺的太空，發(fā)射取得圓滿成功。

此次任務(wù)是中國載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的收官之戰(zhàn)，標(biāo)志著中國載人航天工程勝利完成“三步走”戰(zhàn)略中的“第二步”，也是長七火箭與天舟貨運(yùn)飛船組成的空間貨物運(yùn)輸系統(tǒng)的首次應(yīng)用，為下一步空間站建設(shè)和長期運(yùn)營奠定堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。

長七火箭的第二次發(fā)射有許多看點(diǎn)。

送我國史上最重航天器上太空

本次任務(wù)中，長七火箭發(fā)射的天舟一號是我國第一艘貨運(yùn)飛船，也是我國目前送入太空的最重載荷，重約13噸。

如此重量級的飛船，為何首選長七火箭？

長七火箭是為滿足我國載人空間站工程發(fā)射貨運(yùn)飛船的需求，以及未來載人運(yùn)載火箭更新?lián)Q代的長遠(yuǎn)需求而全新研制的新一代高可靠、高安全的中型運(yùn)載火箭。

從外觀上看，這款火箭與常規(guī)火箭的差別不大，也是3.35米的“腰身”，捆綁4個(gè)直徑2.25米的助推器。不同的是，它采用的是兩種新型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，較常規(guī)推進(jìn)劑比沖提高15%，推力提高50%。另外，長七火箭助推器更長，接近常規(guī)火箭的2倍，可裝的燃料更多。起飛時(shí)，6臺120噸級大推力發(fā)動(dòng)機(jī)提供了超過700噸的推力，芯二級還有4臺液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)接力，足以將攜帶貨物的天舟一號送入與空間實(shí)驗(yàn)室交會(huì)對接的軌道。

長七火箭將我國近地軌道運(yùn)載能力從8.6噸提升至14噸，被譽(yù)為中國進(jìn)入太空的“新動(dòng)力”，達(dá)國外同類火箭先進(jìn)水平。

“天生”可靠性高

長七火箭不僅力氣大，而且可靠性很高。它的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)為0.98，在國際上處于領(lǐng)先水平。為了達(dá)到這一目標(biāo)，設(shè)計(jì)人員在研制之初便開展了型號的可靠性工程研制，將可靠性設(shè)計(jì)到產(chǎn)品中去，采用冗余、降額等手段提高系統(tǒng)可靠性，并開展可靠性強(qiáng)化試驗(yàn)，提前暴露產(chǎn)品的薄弱環(huán)節(jié)并進(jìn)行改進(jìn)，基于可靠性增長試驗(yàn)進(jìn)行火箭可靠性評估。此外，在制造、測試、運(yùn)輸、發(fā)射等各個(gè)環(huán)節(jié)，長七火箭都充分繼承了以往型號的成功做法。

除了0.98的可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)，還有一個(gè)實(shí)際驗(yàn)證的可靠性指標(biāo)，隨著火箭相關(guān)試驗(yàn)的積累和飛行成功次數(shù)的增加而增長。在連續(xù)兩次飛行成功后，長七火箭的實(shí)際驗(yàn)證可靠性指標(biāo)已超過了普通火箭飛行數(shù)次才能達(dá)到的水平。

75項(xiàng)技術(shù)改進(jìn)讓火箭設(shè)計(jì)更優(yōu)、操作更方便

據(jù)長七火箭副總設(shè)計(jì)師程堂明介紹，去年6月25日長七火箭首次上天飛行，驗(yàn)證了火箭設(shè)計(jì)方案的正確性和各系統(tǒng)工作的匹配性。這次任務(wù)中，長七火箭并沒有進(jìn)行大的技術(shù)更改，但有75項(xiàng)小的技術(shù)改進(jìn)，主要是為了適應(yīng)任務(wù)需求，以及提升操作的方便性。

“比如，優(yōu)化蓄壓器管路布局，充氣接管嘴從艙內(nèi)移至箭壁，以前需要進(jìn)艙操作，更改后不需要進(jìn)艙，更便于操作。”程堂明說，相比首飛火箭，長七遙二火箭技術(shù)狀態(tài)變化涉及現(xiàn)場操作和使用維護(hù)的更改占約30%，通過細(xì)節(jié)的完善，進(jìn)一步體現(xiàn)了人性化。

海南文昌發(fā)射場天氣潮濕，降水量大。在火箭研制之初，研制人員就將 “防水”列為重中之重。

據(jù)長七火箭總體副主任設(shè)計(jì)師徐利杰介紹，本次任務(wù)中，同首飛火箭一樣，火箭部段對接處、細(xì)小的孔徑和縫隙處、排氣孔處，都做了防水處理。即便如此，他們依然改進(jìn)了一些措施，使防水更加周密，讓水“無孔可入”。

“火箭加注低溫燃料后，箭體內(nèi)外可謂冰火兩重天，表面會(huì)結(jié)露。我們在火箭每個(gè)液氧貯箱的下端都圍了一圈防雨布，還在對接面上安裝了小支架，對水進(jìn)行引流，防止水從部段對接面流入艙內(nèi)，同時(shí)也防止水流到液氧加泄連接器，導(dǎo)致連接器結(jié)冰無法正常脫落。一個(gè)小舉措，解決了大問題。”徐利杰說。

即將發(fā)射的長征七號火箭

“點(diǎn)火”口令下達(dá)后，發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程需要有數(shù)秒的泄壓時(shí)間，隨后1秒左右就可以見到火焰噴出

首次實(shí)戰(zhàn)“零窗口”發(fā)射

天舟一號貨運(yùn)飛船發(fā)射升空后，與天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室完成了交會(huì)對接，并開展了貨物運(yùn)輸補(bǔ)給、推進(jìn)劑在軌補(bǔ)加等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)試驗(yàn)。

空間實(shí)驗(yàn)室以極高的速度運(yùn)行在數(shù)百千米高的太空，要送天舟一號貨運(yùn)飛船與之精準(zhǔn)對接，火箭就必須準(zhǔn)時(shí)起飛。否則，分秒之差，就可能讓飛船謬之千里。這種窄到一瞬的窗口叫做“零窗口”。

交會(huì)對接任務(wù)，對長七火箭發(fā)射任務(wù)來說，要求做到準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火、精確入軌，這也是我國首次對大規(guī)模低溫火箭提出“零窗口”發(fā)射要求。

此前，在我國載人航天工程中，長征二號F火箭曾多次成功實(shí)施“零窗口”發(fā)射。而相比常規(guī)燃料火箭，長七火箭采用的是全低溫液氧煤油推進(jìn)劑，低溫燃料火箭射前流程更復(fù)雜。

“相對于采用常規(guī)推進(jìn)劑的火箭，采用低溫推進(jìn)劑的長七火箭系統(tǒng)更復(fù)雜，特別是在點(diǎn)火前的3分鐘內(nèi)，要連續(xù)完成十多個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作，某一環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能錯(cuò)過發(fā)射時(shí)間。參試人員通過落實(shí)射前關(guān)鍵環(huán)節(jié)可靠性保障措施、制定故障預(yù)案，保障了射前流程的順利實(shí)施，使得長七火箭具備了‘零窗口’發(fā)射的能力，這次天舟一號的發(fā)射可謂分秒不差。”長七火箭總體副主任設(shè)計(jì)師徐利杰介紹，“當(dāng)然，如果遇到特殊情況，加滿燃料的長七火箭也具備推遲1～2天發(fā)射的能力，真正做到了令行禁止，枕戈待旦。”

“比如，長七火箭在點(diǎn)火前幾分鐘內(nèi)，要完成貯箱增壓、連接器脫落、火箭擺桿擺開等十多個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作，某一個(gè)環(huán)節(jié)出現(xiàn)問題，都可能錯(cuò)過發(fā)射時(shí)間。因此，要做到‘零窗口’發(fā)射，對地面和箭上設(shè)備的可靠性要求更高。”

為此，研制人員制定了影響流程關(guān)鍵設(shè)備可靠性的保障措施，開展了故障預(yù)案再梳理，一方面確保射前地面設(shè)備能夠可靠工作；另一方面，梳理、優(yōu)化射前流程，并制定了多項(xiàng)故障預(yù)案，保障流程的順利執(zhí)行。

“同時(shí)，火箭控制系統(tǒng)還應(yīng)用了一些新技術(shù)，即便在點(diǎn)火時(shí)間推遲一分鐘的情況下，依然可保證貨運(yùn)飛船進(jìn)入天宮二號空間實(shí)驗(yàn)室的軌道。”程堂明說。

發(fā)射平臺的噴水設(shè)施

聽見“點(diǎn)火”默數(shù)7秒才起飛

我國此前的火箭發(fā)射時(shí)，指揮員下達(dá)“點(diǎn)火”口令后不久，火箭就噴出了火焰，但長七火箭發(fā)射時(shí)許多人發(fā)現(xiàn)，指揮員下達(dá)“點(diǎn)火”口令后，等待了數(shù)秒，火箭才噴出尾焰，又過了一秒多才飛起來，這是為什么呢？

徐利杰介紹：“與此前的火箭相比，長七火箭的點(diǎn)火方式有很大差異。簡單地說，此前的火箭是使用火工品（俗稱‘火藥’）點(diǎn)火，口令下達(dá)后3秒左右就能見火；而長七火箭則是利用高壓煤油沖破點(diǎn)火導(dǎo)管，帶點(diǎn)火劑的煤油在燃燒室與氧化劑接觸實(shí)現(xiàn)點(diǎn)火。相對于前者，長七火箭的點(diǎn)火方式更穩(wěn)定、沖擊更小。發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)過程需要有數(shù)秒的泄壓時(shí)間，隨后1秒左右就可以見到火焰噴出，但火箭推力的增大也不是一蹴而就的，大約1秒后，推力才能超過長七火箭的重量。所以，聽到‘點(diǎn)火’口令后別心急，默數(shù)7個(gè)數(shù)，火箭就飛起來了。”

長征七號火箭的尾焰顏色又白又亮

發(fā)射臺“云霧繚繞”如仙境

在長七火箭之前，我國火箭的尾焰大多是橘紅色的，而長七火箭的尾焰顏色不僅又白又亮，長度也超過了以往的火箭。“這是因?yàn)榛鸺褂昧谁h(huán)保的液氧、煤油燃料和新型的大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。”徐利杰說，“我國此前的火箭采用的推進(jìn)劑是四氧化二氮和偏二甲肼，不完全燃燒的四氧化二氮在常溫下易分解成紅棕色的二氧化氮?dú)怏w，伴隨著火箭起飛，這種氣體圍繞在發(fā)射塔架周圍，形成我們看到的‘紅色煙霧’。而液氧、煤油燃燒的顏色則是泛藍(lán)的亮白色。與此前的發(fā)動(dòng)機(jī)相比，長七火箭采用的大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)尾焰的溫度更高、流速更快，所以尾焰又亮又長。”

尾焰的溫度高達(dá)上千度，為了保護(hù)發(fā)射臺，同時(shí)降低起飛過程中的噪聲，長七火箭起飛過程中采用兩級噴水進(jìn)行降溫降噪。“在火箭的尾焰噴出前，發(fā)射平臺臺面的噴水設(shè)施會(huì)先噴一層厚的水膜；在火箭飛起來后，還會(huì)對著尾焰噴一次水。兩次噴水過后，活動(dòng)發(fā)射平臺臺面的溫度大大降低，同時(shí)起到很好的降噪效果，而噴出的數(shù)百噸水有三成左右在高溫中汽化，使得發(fā)射平臺‘云霧繚繞’，宛如仙境。”

在近百千米高空可“仰望”二級火箭點(diǎn)火

在以往的火箭發(fā)射電視轉(zhuǎn)播中，我們常常看到從地面“仰望”火箭點(diǎn)火升空的畫面。在這次發(fā)射中，我們有機(jī)會(huì)看到火箭在飛行到近百千米的高空后，火箭二級點(diǎn)火的畫面。原來，設(shè)計(jì)人員在火箭的一級頂部增加了一個(gè)“向上看”的攝像頭。

長七火箭測量系統(tǒng)主任設(shè)計(jì)師周廣銘介紹：“火箭上的攝像頭學(xué)名叫‘圖像測量系統(tǒng)’。在分析火箭的飛行狀態(tài)或找尋故障時(shí)，圖像比其他數(shù)據(jù)更直觀、更客觀。自2005年首次啟用至今，設(shè)計(jì)師們利用火箭上的攝像頭已發(fā)現(xiàn)了許多新的規(guī)律，還查清了許多‘懸而未決’的問題。這次新增的這個(gè)攝像頭主要是為了看清火箭一級與二級分離時(shí)的畫面。此前，觀察這一系列動(dòng)作的攝像頭安裝在二級尾艙或二級箭體外壁上，視野中有許多遮擋物。若安裝在一級頂端，就能更清晰地觀察到二級火箭的分離與點(diǎn)火，這在世界上也是很少見的。所以，在這次飛行中，我們可以‘仰望’火箭在近百千米高的空中點(diǎn)火的畫面。

（作者單位：中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院新聞中心）