4月29日，由航天科技集團(tuán)有限公司所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總研制的長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭(下稱“長(zhǎng)五B”)在海南文昌發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空，將天和核心艙送入預(yù)定軌道，這是長(zhǎng)五B運(yùn)載火箭首次執(zhí)行應(yīng)用性發(fā)射任務(wù)。此次發(fā)射空間站天和核心艙，身為“專屬座駕”的長(zhǎng)五B火箭有五大“黑科技”值得關(guān)注。
黑科技之一：一級(jí)半直接入軌
長(zhǎng)五B不僅運(yùn)載能力出色，而且還是目前世界上唯一可以直接入軌的火箭。
一般而言，發(fā)射低軌任務(wù)都需要兩級(jí)半火箭接力工作，一級(jí)扔掉之后，二級(jí)再接力工作才能把它送到軌道上去。然而，長(zhǎng)五B運(yùn)載火箭通過采用全新構(gòu)型設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了一級(jí)半就能直接進(jìn)入預(yù)定軌道的世界航天難題。
“很大程度上取決于氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的組合，特別是中間的氫氧可以長(zhǎng)時(shí)間小推力地工作，才實(shí)現(xiàn)了一級(jí)半就能直接入軌�！遍L(zhǎng)征五號(hào)火箭總設(shè)計(jì)師李東介紹。
用一級(jí)半的火箭完成過去兩級(jí)半火箭才能完成的任務(wù)，無疑是技術(shù)上的一個(gè)巨大進(jìn)步。
黑科技之二：最大整流罩
“天和核心艙在火箭最頂端的整流罩里邊，火箭飛行過程中將承受非常惡劣的熱學(xué)環(huán)境、力學(xué)環(huán)境和噪聲環(huán)境�！遍L(zhǎng)五B總體主任設(shè)計(jì)師黃兵解釋道，“因此，核心艙就需要依靠整流罩的保護(hù)。”
據(jù)了解，長(zhǎng)五B運(yùn)載火箭的整流罩部分是中國(guó)迄今為止研制的最大尺寸整流罩，直徑超過5米、高度超過20米，相當(dāng)于六七層樓的高度，規(guī)模較基本型增大了近1倍，可以對(duì)核心艙、實(shí)驗(yàn)艙以及光學(xué)艙提供周全的保護(hù)。
整流罩的規(guī)模增大后，為了保證運(yùn)載效率，結(jié)構(gòu)的剛度會(huì)隨之減少，而剛度是影響分離能源設(shè)計(jì)、分離包絡(luò)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵要素，如何準(zhǔn)確模擬飛行及分離過程中整流罩的剛度特性，確保安全、可靠分離是研制過程中所面臨的技術(shù)難題。
為此，在技術(shù)攻關(guān)過程中，團(tuán)隊(duì)基于顯式動(dòng)力學(xué)方法進(jìn)行了仿真分析，首次計(jì)算出分離過程中的能量占比關(guān)系，并通過三次大型整流罩地面分離試驗(yàn)對(duì)方案進(jìn)行驗(yàn)證，為分離系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了基礎(chǔ)。
黑科技之三：“零窗口”發(fā)射
為了滿足空間站交會(huì)對(duì)接的要求，長(zhǎng)五B運(yùn)載火箭需要做到“零窗口”發(fā)射，將發(fā)射時(shí)間誤差控制在1秒以內(nèi)�！傲愦翱凇卑l(fā)射，要求火箭各系統(tǒng)在點(diǎn)火前提前做好準(zhǔn)備，以“隨時(shí)出發(fā)”的狀態(tài)等待點(diǎn)火。
“這項(xiàng)看似并不復(fù)雜的技術(shù)，實(shí)際上需要從火箭可靠性提升、大系統(tǒng)之間發(fā)射流程優(yōu)化兩方面開展大量研究�！遍L(zhǎng)五B運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)總體設(shè)計(jì)師馮韶偉說。
作為中國(guó)首個(gè)實(shí)施“零窗口”發(fā)射的低溫火箭，長(zhǎng)五B運(yùn)載火箭需要綜合、權(quán)衡好“提前量”和低溫推進(jìn)劑“蒸發(fā)”的“消耗量”的關(guān)系。
“通過可靠性分析和試驗(yàn)，實(shí)現(xiàn)了關(guān)鍵系統(tǒng)可靠性提升；通過射前流程優(yōu)化，提高了各系統(tǒng)對(duì)‘零窗口’發(fā)射的適應(yīng)性�！崩顤|介紹說。
黑科技之四：大直徑艙箭分離
作為空間站主要艙段的專用座駕，艙箭分離技術(shù)也是長(zhǎng)五B的一大亮點(diǎn)。此次發(fā)射任務(wù)中，艙箭連接的直徑為4100mm，也是中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭中所發(fā)射載荷規(guī)模最大的一次。整個(gè)核心艙長(zhǎng)度近17m，重量達(dá)22.5t量級(jí)。
有效載荷的規(guī)模增大后，傳統(tǒng)的包帶、低沖分離裝置均無法滿足需求。
要使重達(dá)20多噸的空間站艙段安全順利 “到站下車”絕非易事，長(zhǎng)五B創(chuàng)新采用更具可靠性的降沖擊方案，并采取了一系列減振降噪技術(shù)，實(shí)現(xiàn)減振降噪的效果，既確保了安全分離，又將 “下車”過程中可能出現(xiàn)的碰撞風(fēng)險(xiǎn)降到了最低。
針對(duì)分離面不再是對(duì)接面的特殊星箭接口，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)在機(jī)械接口設(shè)計(jì)過程中精益求精，通過星箭聯(lián)合操作精細(xì)化設(shè)計(jì)，規(guī)避了行程開關(guān)失效風(fēng)險(xiǎn)，最大程度確保發(fā)射任務(wù)成功。在此次對(duì)接過程中，所有項(xiàng)目均為一次通過。
黑科技之五：大推力入軌控制
作為一級(jí)半構(gòu)型的火箭，長(zhǎng)五B火箭沒有單獨(dú)的調(diào)姿和末速修正系統(tǒng)，而是利用一級(jí)火箭直接將有效載荷送入預(yù)定軌道。在一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，約140噸的推力在幾秒鐘之內(nèi)消失，相當(dāng)于一輛高速行駛的火車突然“剎車”，還要穩(wěn)穩(wěn)�？吭谥付ㄎ恢谩榱藵M足入軌精度、分離安全等方面的更高要求，研制團(tuán)隊(duì)開展了入軌姿態(tài)控制、入軌精度控制、分離安全控制等方面的技術(shù)攻關(guān)。
“研制團(tuán)隊(duì)采用姿態(tài)控制增益優(yōu)化和復(fù)合制導(dǎo)方法，提高了火箭姿態(tài)控制精度，降低了制導(dǎo)誤差對(duì)精度的影響，使火箭在分離時(shí)處于最佳‘姿態(tài)’和最準(zhǔn)位置。”李東說，團(tuán)隊(duì)還設(shè)置了2枚離軌火箭，使火箭一級(jí)箭體可以及時(shí)避開空間站艙段的軌道面，提高艙箭分離的安全程度。
后續(xù)，中國(guó)還會(huì)發(fā)射天舟貨運(yùn)飛船和載人飛船。在建設(shè)空間站的目標(biāo)中，發(fā)射核心艙的任務(wù)是實(shí)現(xiàn)該戰(zhàn)略目標(biāo)的起點(diǎn)，也是后續(xù)一切任務(wù)的源頭。
董佳瑩
