如何讓火箭“站穩腳跟”

“站穩腳跟”是人們常說的一句話。在日常生活中，一個人只有站穩腳跟才能保持身體平穩，不然很容易摔倒；還有抬腳邁步的時候，只有在沒有束縛的情況下才能順利邁開腳步，否則就容易摔跟斗。運載火箭也是這樣，發射前它也需要在發射臺上“站穩腳跟”，否則很難完成各種作業和正常發射升空，而且發射時，腳下也不能有任何“絆腳石”。

從典型看奧秘

運載火箭是一種龐大的科技產品。它的尺寸自誕生以來就像氣球一樣不斷膨脹，比如當年發射美國第一顆衛星的先鋒號火箭全長不過22米，最大直徑也就1.1米；可是到阿波羅載人登月時，土星5號火箭的最大高度已經達到86米，最大直徑10米。雖然說這種龐然大物的起飛質量驚人（小的十幾噸，大的3000噸），但是由于“細長比”過大，它在發射臺上的起豎和發射的穩定性就成了難題。為了有效解決這個問題，運載火箭的一項關鍵技術——牽制釋放就應運而生了。

▲ 有了牽制釋放機構的支持，發射阿波羅6號飛船的土星5號火箭腳跟站得更穩

顧名思義，火箭牽制釋放技術的作用有兩個：一是用于運載火箭在裝配廠房內起豎和運輸到發射臺的過程中，以及在發射臺上進行檢查與測試時的支撐和固定；二是在火箭點火后尚未達到額定推力時起限制作用。說白了，就是要讓火箭站得穩、沖勁足。

那么，牽制釋放技術是怎樣完成牽制、釋放功能的呢？下面讓我們以最典型的“土星5號”的牽制釋放機構為例來看看其中的奧秘。

“土星5號”的牽制釋放機構是一套復雜的地面設備，主要包括4個一模一樣的斜形基座，每只基座長3.04米、高3.35米、底部寬l.82米，重20.4噸。這些基座安裝在發射臺的正方形排焰孔每一邊的中間，通過特殊加強的結構與發射平臺構成一個整體，從而像4只大手或者說像4只鐵鞋一樣將火箭固定在發射臺上。

▲ 肯尼迪航天發射中心34號發射臺上的牽制釋放機構

▲ 安裝中的土星5號火箭牽制釋放機構。在B、C尾翼之間的長桿是三根尾部維護桿中的兩根，用于支持第一級火箭燃料加注、空氣調節以及緊急液氧泄出管路

斜形基座內的主要構件就像人的手臂一樣，是用銷釘連在一起的三節連桿。最上面呈水平狀態的是上連桿，好比人的手掌，它前端的下邊有一個球面，用于與基座上的盤形表面配合。上連桿重1179千克，三節連桿中屬它最大最重，但是因為重量分布在一個152毫米的銷釘上，仍然可以輕松地向上向外旋轉。中連桿垂直連接在上連桿一端的下面，重362千克。下連桿連接在中連桿的另一端。

牽制火箭時，中連桿和下連桿必須處于垂直狀態。由于連桿太重，只能靠鉸車拉動，當中連桿和下連桿的關節在水平力的作用下接近垂直位置時，上連桿后端會受到一個向上的推力，于是前端就在杠桿的作用下形成一種對火箭的壓制力，而連桿的關節將通過一個分離環與氣動分離器固定。氣動分離器包括氣缸、活塞、彈簧和分離環等。汽缸內有8個鋼球，它們半個球在分離環的槽內，半個球在汽缸壁的孔里，當活塞受到4個大彈簧的壓力將鋼球推出汽缸，使其完全卡在分離環的槽內后，牽制釋放機構即被鎖定，于是火箭便在發射臺上“生根”了，哪怕在爬肯尼迪航天中心5度斜坡的發射臺時也能穩如泰山，至于狂風大作的惡劣天氣更不在話下，可以安心地開始設備安裝、儀器檢查以及推進劑加注等作業。

火箭發射時，牽制釋放機構將發揮它的另一項重要功能——釋放。當第一級火箭的所有發動機全部達到額定推力時，兩個電磁活門將根據電信號打開，隨即噴出的氦氣將推動氣動分離器的活塞去抵抗彈簧，使卡在分離環槽內的鋼球退回汽缸內，從而使分離環脫離，松開連桿。連桿彎曲時，上連桿的前端因尾端失去向上的作用力而向上翹起，完成對火箭的釋放。

牽制釋放兩全齊美

牽制釋放技術開始于上世紀50年代，蘇聯曾率先在衛星號運載火箭上采用了這種技術，后來美國、英國、法國、日本和俄羅斯等國家也都在火箭上廣泛采用，包括美國的“宇宙神”“大力神”“土星1號”“土星5號”，英國的“藍光”，日本的H-2，俄羅斯的“天頂號”“質子號”“聯盟號”，以及歐空局的“阿里安”等。“大力神”采用的是爆炸式分離螺母和雙頭螺栓，“藍光”和“阿里安”采用了液壓阻尼油缸和主連桿，美國的航天飛機則改用了易碎螺母和雙頭螺栓，以及固體火箭助推器尾部的8個Γ形壓板和支撐結構。

▲ 美國航天飛機發射臺上的牽制釋放機構

▲ 建設中的土星5號火箭牽制釋放機構

▲ 聯盟號運載火箭在法屬圭亞那發射場用的牽制釋放機構

這些牽制釋放機構大小不同、形式各異，但都能滿足安全可靠的要求：牽制時能承受多種負荷，包括自然條件下的風力負荷與發射時的沖擊負荷；釋放時保證安全可靠，不損傷火箭。

在牽制火箭時，牽制釋放機構承受的負荷非常大，常常高達幾百、幾千甚至幾萬千牛，而且要保持一定的時間。很多人都以為發動機點火后火箭馬上就起飛了，事實并非如此，在達到額定推力前的幾秒鐘內，火箭根本無法徹底起飛，因為它還被牽制在發射臺上。各種火箭的牽制時間長短不一，“阿里安”為3秒，“土星5號”長達7秒（離開發射臺15厘米）。別看只有短短的幾秒，卻總讓人感覺長得沒有盡頭，甚至誤以為牽制釋放機構出了什么問題。

▲ 安裝在肯尼迪航天中心17A發射臺上的德爾塔2火箭的第一級，它的前面是牽制釋放機構

站穩腳跟不是火箭的目的，它最終要甩開腳步，奔向太空，這個重要階段將由釋放功能協助完成。釋放火箭的難點在于，不該釋放時，它必須牢牢將火箭固定在發射臺上，應該釋放時必須準時、準確、全部。然而，火箭的牽制點從來都不是一個，不同型號數量不等，少則2個，多則8個，還有的多達32個，牽制點越多同步釋放的難度就越大。為了達到安全可靠的目的，牽制釋放機構大多采用了雙保險的辦法。例如大力神火箭，4套爆炸分離螺栓每套都有兩個平行的備份，只要有一套工作正常就能可靠地完成釋放。土星5號火箭采用的備用方法是，一旦遇到意外情況，釋放系統失靈或者氣動分離器因為故障沒有正常釋放，立即點燃導火索炸裂脆性螺母，強迫下連桿上的螺栓完成釋放。

▲ 把德爾塔2火箭安裝到范登堡空軍基地的牽制釋放機構上

為了確保釋放過程的安全可靠，發射“土星5號”的39號發射臺還采取了這樣一種措施。由于釋放的瞬間，運載火箭加速過快，有可能對結構產生很大應力，設計師專門在每個基座上設計安裝了兩個輔助控制裝置，它是一個與斜形基座相連的托架，上面固定了兩個直徑1英寸（約2.54厘米）的螺栓，每個螺栓的另一端固定在火箭鐘罩形的套筒里，火箭起飛時它們隨之被向下拉。因為螺栓是圓錐形的，所以拉力從高到低，從16300千克一直到0，從而延長了釋放時間，減小了對火箭的沖擊。

牽制釋放技術還有另一個作用，就是在火箭發生意外情況時經受發射失敗的回彈力，及時保護火箭的安全。1965年12月12日，大力神2號火箭在發射雙子星座6號飛船時，由于多余物堵塞了發動機氧化劑進口沒能正常起飛。千鈞一發之際，牽制釋放機構出色地將火箭固定在發射塔架上，避免了爆炸的危險，保護了航天員、火箭和飛船的安全。

▲ 安裝好牽制釋放機構的日本H-2B火箭

發射牽制釋放技術已經在國外的運載火箭上采用多年。實踐證明，它在確保火箭安全發射方面的優勢顯而易見。不過，中國的長征系列火箭長期以來一直沿用防風拉桿技術，即發射時當一級發動機的推力大于火箭自重后將自動起飛。具體說，就是在火箭尾段上安裝幾個帶孔支座，用直徑三四十毫米的螺栓通過它們與發射臺連接，發射前再依靠人工的辦法把螺栓取下，并當面經發射指揮人員確認。這種技術簡便可行，只是一旦遇到發射意外后果難以預料。1992年3月22日，長征二號捆綁式火箭發射澳大利亞B1通信衛星時，由于箭上程序配電器節點間存在多余物，兩枚火箭助推器的發動機點火后意外關機，結果火箭沒有正常起飛，只在發射臺上轉動了1.5度，4個支點中的3個扭到了支座邊緣，如果不是被6毫米的臺階擋住，有可能滑下支座，倒在發射臺上，造成不堪設想的后果。據有關資料顯示，目前長征五號火箭已經首次采用了牽制釋放技術。