發射核心艙，長五B的“勝任力”

文/高一鳴 攝/ 史嘯

4月29日，由中國航天科技集團有限公司研制的長征五號B運載火箭成功發射空間站天和核心艙，打贏了我國空間站在軌建造任務的開局之戰。

長五B火箭是我國為滿足載人航天工程第三步——空間站工程的任務要求，在長五火箭的基礎上研制的。可以說，長五B火箭因空間站工程而生，發射空間站艙段，特別是發射空間站核心艙，是長五B火箭的“初心”之戰。

那么，為了完成空間站發射任務，研制隊伍賦予了長五B火箭怎樣的能力呢？

勝任力一：運力強勁

空間站天和核心艙是我國目前最重的航天器，發射重量超過22噸。在我國現役火箭中，只有“長五B”能將這么重的航天器送入近地軌道；在世界現役火箭中，“長五B”的近地軌道運載能力也處于第一梯隊。

要送“大塊頭”上天，首先自己要有大體格。

長五B火箭總體副主任設計師劉秉介紹，長五B火箭有將近54米高，相當于18層樓；芯級只有一級，直徑卻達到了5米，長30多米，是我國最大的火箭子級；4個助推器的直徑均為3.35米，與我國其他液體火箭的芯級直徑相當。

點火時，長五B火箭“體重”達850噸級，相當于兩架滿載的大型客機。其中，燃料占絕大部分重量。要把火箭攜帶的高能的液氫、液氧、煤油燃料轉化為強勁動力，還需要強大的心臟——發動機。

長五B火箭的每個助推器上都裝有2臺120噸級液氧煤油發動機，芯級裝有2臺50噸級液氫液氧發動機。起飛時，10臺發動機均在地面點火，以千噸級推力，托舉火箭奔向蒼穹。

飛行170多秒時，助推器發動機關機、助推器分離。芯級發動機則要一口氣工作480秒左右，直至艙箭分離前幾秒才關機。

長五B火箭副總師王維彬介紹，在真空中，長五B火箭芯級的2臺氫氧發動機推力可達140噸級。

強大的體魄與心臟，使長五B火箭擁有25噸級的近地軌道運載能力，足以發射空間站艙段。而長二F火箭和長七火箭的近地軌道運載能力分別為8噸級、14噸級，分別負責神舟系列飛船和天舟貨運飛船的發射任務。3型火箭共同構成我國載人航天工程的“天地運輸走廊”，“長五B”的力量決定了這條“走廊”有多“寬”。

勝任力二：空間寬敞

為了讓航天員在更寬闊的太空環境中工作、生活，我國空間站艙體盡可能設計得大些。其中，核心艙最大直徑4.2米，全長16.6米，還有機械臂等“支棱起來”的結構。相應的，火箭從起飛到沖出大氣層的過程中，用于保護空間站艙段的整流罩也要足夠大。

在地面上，空間站艙體安靜地矗立在整流罩內；但在奔向太空途中，特別是在整流罩分離時，整流罩會發生一定形變。因此，必須在整流罩和空間站艙體之間留有足夠空間，以防它們相互碰撞。

當然，整流罩太大也會遇到很多問題。例如，整流罩越大，分離時的“呼吸變形”也就越大。正如生活中把一大塊薄板抬起來后，會出現“顫顫巍巍”的現象，整流罩的“呼吸變形”與之類似。整流罩一“抖”，會不會碰到里面的艙體？同時，整流罩大了，固定、分離所需的力量也就越大。怎樣保證整流罩既能在上天時嚴密、穩固地保護艙體，又能在分離時迅速分開？這一系列問題考驗著設計師的智慧。

長五B火箭總體副主任設計師馮韶偉介紹，長五B火箭整流罩直徑5.2米，高20.5米，是世界上采用旋轉分離方式的規模最大、直徑最大的在役整流罩之一。此前的設計思路、手段與試驗手段，都無法駕馭長五B火箭整流罩的研制工作。團隊在設計、試制與試驗的過程中不斷探索，引入三維視覺掃描等新技術，形成了長五B火箭整流罩精準的仿真模型，確保在飛行、分離的過程中整流罩不會碰到艙體。

勝任力三：“乘客”舒適

在火箭垂直轉運至發射區、發射前打開固定勤務塔回轉平臺的幾個小時內，整流罩直接暴露在外部環境中，若不采取措施，在海南高溫高濕環境中，罩內溫濕度會飆升，遠超空間站外部環境溫度小于30攝氏度、濕度小于60%的要求。

曾有人問，航天器在太空要經受住上百攝氏度溫差的考驗，為什么在地面上還要如此小心翼翼呢？

“空間站在進入軌道工作狀態前，部分系統還處于休眠狀態，不能像在太空那樣應對劇烈變化的溫度環境。”劉秉說，這就好比一位優秀運動員，在賽場上需要經歷嚴寒酷暑的考驗；但在去賽場的路上，還是應該舒舒服服地坐在“空調大巴”中，保持最好的狀態。

主管設計師蘇虹介紹，為了給空間站營造一個“舒適”的溫濕度環境，研制團隊不斷優化整流罩空調供風管路，把從空調出風口到整流罩入風口的溫度損失控制在零點幾攝氏度；與此同時，增加一條管路擴大供風量。直到發射前15分鐘，空調供風管路才與整流罩分離。

另一個影響空間站艙體“乘坐”體驗的關鍵點出現在艙箭分離時。

和整流罩一樣，航天器與火箭之間也要面對飛行時牢牢固定、分離時迅速可靠的矛盾需求。主管設計師孫璟介紹，以往我國航天器采用的分離裝置無法應對空間站任務特點。為此，研制團隊突破了既能“綁”得住大直徑航天器，又能快速、可靠、無污染分離的膨脹管分離技術。然而，在一次分離試驗時，研制團隊卻發現新型分離裝置對分離面的瞬間沖擊高達30000g，遠超空間站艙體允許的6000g。

30000g的沖擊不僅會讓空間站艙體“不舒服”，還有可能損壞較脆的零部件。為此，研制團隊聯合國內優勢力量開展攻關，既把傳統方式發揮到極致，又引入了顆粒阻尼等新技術，盡可能地讓沖擊波多跑些“彎路”、多干些“雜活”，從而消耗“體力”，把沖擊降低到3000g左右。這套方案做到了國際最優，滿足了讓空間站“舒舒服服下車”的要求。

勝任力四：出發準時

此次長五B火箭發射空間站核心艙任務，發射窗口還算寬裕。但后續發射的兩個實驗艙要與核心艙交會對接，必須在規定時刻分秒不差地發射出去（即零窗口發射）。否則，實驗艙上天后就會與核心艙失之交臂，后續耗費巨大的代價調整軌道；發射任務甚至有可能在錯過窗口后直接終止，等待下一個窗口重新組織發射，浪費大量資源，嚴重影響任務周期。

對于“長五”“長五B”這樣采用大規模液氫、液氧等低溫燃料的液體運載火箭來說，發射前動作非常復雜，實現零窗口發射難度很大。其中，發動機的“預冷”就是可能延遲火箭發射的重要因素之一。

氫氧發動機使用的液氫燃料達零下250多攝氏度、液氧燃料達零下180多攝氏度。為了防止這兩種深低溫燃料在進入處于常溫狀態的發動機后發生意外，要在此之前預先降低發動機溫度，即給發動機“預冷”。長五火箭首飛任務就曾因兩臺大推力氫氧發動機遲遲冷不下來，導致發射推遲。

長五B火箭副總師王維彬介紹，從那以后，氫氧發動機研制隊伍通過大量的研究改進與試驗驗證，進一步提高了發動機工作的可靠性與穩定性，并在每次發射前100分鐘左右，提前開展一定程度預冷。就像汽車啟動前，給點油先試試，如果有問題可以提前解決，從而確保發動機發射前不會“發燒”、按時完成預冷等工作。

長五火箭副總師賀建華介紹，在地面設備方面，型號采用遠程調節等方式，也保證了發動機預冷等發射前環節的安全、順利推進。

長五火箭在近幾次發射任務中，均實現了零窗口發射，為后續執行其他空間站艙段零窗口發射驗證了關鍵技術。

勝任力五：入軌精準

送航天器執行交會對接任務，準時點火只是一個開始，精準入軌才是圓滿成功的標志。

除“長五B”外，我國其他運載火箭的末級發動機推力較小，再輔以推力更小的姿態控制發動機，較容易在航天器入軌前對其位置與姿態進行微調，從而確保精確入軌。

長五B火箭只有一個芯級。這雖然可以避免發動機高空點火的風險，但也增加了直接入軌的難度——完全靠總推力達百噸級的兩臺氫氧發動機來調節入軌精度，猶如“請張飛繡花”。此外，發動機關機后還有“后效”，類似燃氣灶閉火后的“余火”，也會影響航天器入軌精度。

王維彬介紹，確保大推力氫氧發動機全程穩定工作最為關鍵。研制團隊對發動機持續進行優化，并開展大規模試驗驗證。在載人航天工程總體的支持下，研制團隊在5萬多秒試車的基礎上，針對發動機新改進部分又進行了1萬多秒試車，充分驗證了重大改進的可靠性。他們還根據試車情況對其他細微環節進行改進，消除一切可能的薄弱環節。此外，發動機研制團隊還根據試車結果，給出了“后效”的預測值。

針對發動機“后效”等不確定因素，研制團隊利用數學仿真“打靶”的方法模擬出上萬種情況，以驗證制導控制率設計的正確性。長五火箭副總師李學鋒說，即便預測的“后效”與實際情況有出入，控制系統也能確保火箭精確入軌。

火箭彈道總體設計師王建明介紹，除了考慮火箭動力系統的偏差，還要考慮結構、控制等方面的偏差，以完善彈道設計，確保高精度入軌。在長五B火箭的首次飛行試驗中，入軌精度堪稱“正中靶心”，足以證明各系統為此開展的工作充分有效，標志著我國已突破了大推力直接入軌這一世界級難題。

勝任力六：質量過硬

“載人航天，人命關天。”在我國重大航天工程中，載人航天的可靠性、安全性要求尤為特殊，必須按照“要求更嚴、工作更細、標準更高、作風更硬”來開展一切工作。

長五系列火箭從設計源頭就極為注重質量，其設計可靠性高達0.98，達到了國際一流水平。在研制與發射實踐中，長五團隊又總結形成了一套成體系、行之有效的質量保證工作方法。此次長五B火箭試驗隊質量負責人高翌春介紹，“7+7”質量管理要求就誕生于長五火箭研制隊伍。

在此次發射任務中，除了“7+7”等常規要求，試驗隊還對標載人航天工程，進一步加嚴質量管理要求。

長五B火箭副總師陳建華是120噸級液氧煤油發動機的技術總負責人。在此次任務中，他帶領團隊對照載人航天工程標準和“7+7”要求，把液氧煤油發動機所涉及的相關質量要求重新梳理了一遍，逐條對照落實。

長五B火箭助推器采用的120噸級液氧煤油發動機自首飛起，飛行過程從未出現過質量問題。但陳建華認為，每一次任務、每一臺發動機、每一個零部件的質量要求都不能放松。比如，對于涉及發動機點火的關鍵產品，陳建華開展了多次質量復查工作，直至查到產品具體的生產負責人才放心。

此外，遠程測試網絡等新手段的應用，也有助于提高工作效率、加強質量保證。在此次任務中，前后方數據判讀聯動機制正式建立，前后方可以便捷地分享測試數據，省去了冗長的信息擺渡工作。長五B火箭副總師田建東負責此次任務的后方支援工作。通過前后方聯動，后方專家隊伍的把關作用得以充分發揮，進一步確保測試數據的判讀質量，為任務成功提供了強大保障。