問天實驗艙成功“問天”長五B火箭打贏關(guān)鍵之戰(zhàn)

|張建林

長征五號B 遙三運載火箭。 圖片| 中國運載火箭技術(shù)研究院

7月24日14時22分，由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術(shù)研究院（簡稱“火箭院”）抓總研制的長征五號B遙三運載火箭（以下簡稱“長五B火箭”）沖上云霄，成功將我國空間站建造階段首個實驗艙，也是我國迄今為止發(fā)射的最重載荷——問天實驗艙發(fā)射至預(yù)定軌道。我國空間站建造關(guān)鍵之戰(zhàn)取得圓滿成功。

據(jù)此前中國載人航天工程辦公室消息，今年將實施6次飛行任務(wù)，完成我國空間站在軌建造。其中，長五B火箭在7月發(fā)射問天實驗艙與天和核心艙對接，10月發(fā)射夢天實驗艙與天和核心艙對接。之后三艙形成“T”字基本構(gòu)型，完成中國空間站在軌建造。此次任務(wù)是今年完成空間站在軌建造承上啟下的關(guān)鍵之戰(zhàn)，意義重大。

首次執(zhí)行零窗口發(fā)射任務(wù)

作為我國目前近地軌道運載能力最大的新一代運載火箭，長五B火箭擁有長達20.5米的國內(nèi)最大整流罩，近地軌道運載能力達到25噸級。問天實驗艙是我國迄今為止重量最大的載荷，重量約為23.2噸。

火箭院長五B火箭總體副主任設(shè)計師劉秉介紹：“問天實驗艙需要與空間站天和核心艙進行快速交會對接，因此，必須在規(guī)定時間分秒不差地發(fā)射，否則將無法到達指定位置，需要耗費巨大代價調(diào)整軌道;甚至導(dǎo)致發(fā)射終止，那就需要等待下一個發(fā)射窗口重新組織發(fā)射，嚴重影響任務(wù)周期?！?/p>

由于問天實驗艙和天和核心艙要通過交會對接，在軌進行組裝，所以要求火箭“零窗口”發(fā)射。而長五B火箭是低溫火箭，面臨著低溫推進劑加注問題和復(fù)雜的發(fā)射射前流程，實施零窗口發(fā)射相比常溫火箭難度大得多。

各系統(tǒng)只能按時序完成射前指令，把時間消耗在等待上一流程上。“就像面對逐題試卷限時競答，一旦卡在前面簡單的問題上，后面的題目分數(shù)很高卻又不能做，顯得束手束腳。”火箭院長五B火箭副總設(shè)計師婁路亮這樣比喻。為了和時間賽跑，設(shè)計團隊開展了適應(yīng)“零窗口”發(fā)射要求的射前流程優(yōu)化改進。

本次任務(wù)中，長五B火箭實施零窗口發(fā)射，這也是長五系列火箭首次執(zhí)行零窗口發(fā)射任務(wù)。為保證準時發(fā)射，型號隊伍對射前負10分鐘的發(fā)射流程進行了優(yōu)化，將部分流程前置。其實，距離發(fā)射2.5分鐘時，火箭就已完成發(fā)射前各項準備工作，具備了點火發(fā)射能力，隨時可發(fā)射。雖然只有短短的2.5分鐘，但對型號隊伍來說卻意味著寶貴的時間和機會，發(fā)射前萬一發(fā)生突發(fā)情況，型號隊伍可在這2.5分鐘內(nèi)迅速作出決策、進行處置。

準時點火只是開始，精準入軌才是成功。劉秉介紹，長五B火箭還應(yīng)用了起飛時間偏差修正技術(shù)，最大修正時間為2.5分鐘。“通俗理解，火箭最遲可推延2.5分鐘發(fā)射，在0到2.5分鐘這個時間段內(nèi)的任一時間點發(fā)射，火箭都可以在飛行過程中自動修正因推遲發(fā)射導(dǎo)致的飛行偏差，將實驗艙精準送入預(yù)定軌道。”

首次執(zhí)行快速交會對接任務(wù)

此次長五B火箭首次執(zhí)行快速交會對接任務(wù)，要求火箭以更高的發(fā)射和飛行可靠性實現(xiàn)準點發(fā)射、準確入軌，將問天艙準確送入與核心艙共面、共軌的轉(zhuǎn)移軌道。

據(jù)介紹，就像火車到站，以前乘客需要“追火車”才能找到自己的車廂，現(xiàn)在的高鐵都是精準對標到地標。從“追火車”到“乘高鐵”，入軌精度偏差縮小為空間站艙段交會對接提供了更好的保障，但是也對火箭的動力、結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)偏差控制水平提出了新的和更高的要求。

中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成，這3 個艙段的發(fā)射任務(wù)都由長五B 火箭執(zhí)行。據(jù)了解，長五B 火箭中“深低溫”液氧液氫燃料占火箭體重的90% 以上，堪稱火箭家族中的“冰墩墩”。大暑時節(jié)、又在低緯高溫之地發(fā)射，“冰墩墩”長五B 火箭如何穿越層層火線？

點火后，火箭依靠更先進的制導(dǎo)技術(shù)不斷調(diào)整彈道，直奔空間站?！熬秃帽韧冻鋈サ幕@球能按照籃筐位置、球場風(fēng)速、氣流和溫度等的變化，不斷修正自己的前進軌跡，直奔籃筐而去?！被鸺夯鸺破諏＜义X航說，“這有點像汽車的自動駕駛技術(shù)，只是長五B這輛‘汽車，重達數(shù)百噸、時速不可估量，要做到‘自動駕駛可不容易?！遍L五B火箭創(chuàng)新運用姿態(tài)控制增益優(yōu)化和復(fù)合制導(dǎo)方法，從而提高了火箭姿態(tài)控制精度。

問天實驗艙采用快速交會對接的方式與空間站天和核心艙對接形成組合體，整個過程大約6.5小時，需要艙段消耗燃料來變軌滿足對接要求，會造成運載能力的損失。為了能搭載更多的推進劑、生活物資等維持空間站在軌運營，長五B團隊對火箭的運載能力進一步評估、折算，扔掉箭體中的“累贅”，為火箭釋放了更大的運載能力。“如果把發(fā)射火箭比作游客出行，那么以前就是出遠門，需要攜帶大包小裹來衣食住行，而現(xiàn)在更像是臨時出差，輕輕松松帶上必備物品就可以出發(fā)了?！眲⒈f。

此外，記者還了解到，安全、精準地將問天實驗艙送到目的地是型號隊伍的首要任務(wù)。為不斷提高火箭可靠性，型號隊伍在生產(chǎn)工藝等方面進行了30余項改進。

劉秉表示，長五B火箭和長五火箭共用的發(fā)射場地面設(shè)備2013年投入使用，部分設(shè)備已達到使用壽命。對此，型號隊伍對發(fā)射場地面設(shè)備進行了測試、維修、更換，確保安全可靠，保障發(fā)射任務(wù)順利進行。

隨著發(fā)射次數(shù)增多，型號隊伍對火箭技術(shù)狀態(tài)的認識也更加全面。目前，長五B火箭在發(fā)射場的發(fā)射準備時間約為60天，本次任務(wù)進一步優(yōu)化了測試流程，在火箭模塊轉(zhuǎn)運、狀態(tài)恢復(fù)、吊裝前準備等環(huán)節(jié)，將串行工作模式改為并行?，F(xiàn)在，53天就可完成發(fā)射準備工作，比以往縮短了7天，為后續(xù)進一步提高火箭發(fā)射效率，應(yīng)對未來高密度常態(tài)化發(fā)射奠定了基礎(chǔ)。

長五B火箭如何穿越火線？

中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成，這3個艙段的發(fā)射任務(wù)都由長五B火箭執(zhí)行。據(jù)了解，長五B火箭中“深低溫”液氧液氫燃料占火箭體重的90%以上，堪稱火箭家族中的“冰墩墩”。大暑時節(jié)、又在低緯高溫之地發(fā)射，“冰墩墩”長五B火箭如何穿越層層火線？

“冰墩墩”長五B火箭身體里的液氧溫度達到負183攝氏度，液氫溫度可達負253攝氏度，已經(jīng)接近負273.15攝氏度的絕對零度。人在炎炎烈日下暴曬，會揮汗如雨，長五B火箭更是如此。海南文昌發(fā)射場氣候潮濕，在最熱時刻發(fā)射，低溫推進劑加注后，箭體表面的溫度低，就會出現(xiàn)結(jié)露現(xiàn)象，箭體表面的冷凝水順著箭體流下，這對箭體結(jié)構(gòu)的防水提出了較大挑戰(zhàn)。

文昌航天發(fā)射場發(fā)射問天實驗艙。 圖片| 中新網(wǎng)

為此，周身冰冷的它在完成加注后要防止貯箱內(nèi)部溫度過高，因此采用隔熱材料和工藝，在外層均設(shè)置了絕熱層，就像披上了一身“隔熱汗衫”，保持箭體內(nèi)外溫差較大的情況下維持低溫環(huán)境。不但能夠有效減小貯箱內(nèi)部溫度升高，同時可以有效緩解箭體外部冷凝水的產(chǎn)生。

火箭院結(jié)構(gòu)系統(tǒng)指揮王乾解釋了“隔熱汗衫”的工作原理：“一方面，團隊通過在整流罩內(nèi)部設(shè)計排水罩和倒水孔，將艙內(nèi)可能產(chǎn)生的水往外疏導(dǎo);另一方面，在箭體的關(guān)鍵設(shè)備、電纜均采取防水措施，同時箭體部段間的對接面同樣利用涂膠等手段進行封堵，防止外部水汽進入箭體內(nèi)部?！?/p>

在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)前，約20層樓高、幾百噸重的“冰墩墩”長五B要從總裝廠房被轉(zhuǎn)移到發(fā)射塔架，整個過程需要兩三個小時才能完成。為了避免“冰墩墩”被“熱化了”，設(shè)計人員為這個“巨無霸”設(shè)置了全程冷鏈運輸。

所謂全程冷鏈運輸，也就是在星罩組合體轉(zhuǎn)運和火箭轉(zhuǎn)運至發(fā)射區(qū)過程中，均有空調(diào)向罩內(nèi)輸送常溫干燥空氣，保障問天實驗艙的舒適度。其中，星罩組合體轉(zhuǎn)運主要使用的是轉(zhuǎn)運車搭載的吹風(fēng)設(shè)備，火箭轉(zhuǎn)運發(fā)射區(qū)過程中主要使用活動發(fā)射平臺上的空調(diào)。等火箭到達發(fā)射區(qū)后，整流罩部分通過空調(diào)口進行空調(diào)送風(fēng)，各殼段通過艙口進行空調(diào)送風(fēng)。

“大暑迎發(fā)射，又是在中午，如果不能保障全程冷鏈運輸，金屬一旦熱脹冷縮就會影響煤油貯箱的容量。”火箭院長五B火箭副總設(shè)計師婁路亮說。

據(jù)介紹，團隊特意為問天實驗艙定制了Plus版空調(diào)房，也就是始終保持常溫干燥空調(diào)送風(fēng)的超大整流罩。“我們根據(jù)問天艙外形包絡(luò)情況，重點開展了罩內(nèi)許用空間安全分析，”王乾說，“同時，為保證問天艙的對接安裝，我們也在整流罩、載荷支架、儀器艙的多余物清潔方面做了很多工作。確保在火箭飛行和分離動作過程中，不產(chǎn)生多余物。”

長五B火箭的整流罩上共設(shè)置了兩路送風(fēng)接口，送風(fēng)空調(diào)能夠滿足超大空間送風(fēng)要求，從而保障問天艙始終處于舒適的環(huán)境。整流罩的頭錐部段選用了馮卡門錐曲線，頭錐高度達到5米以上，能夠大大降低火箭在大氣飛行中的氣動加熱，保障整流罩內(nèi)外溫差較小。此外，設(shè)計人員在整流罩外側(cè)粘接具備優(yōu)良的隔熱效果的軟木，能有效減小因氣動加熱引起的罩內(nèi)溫度升高，避免問天艙在穿越大氣層時遭受炙烤。

◎ 來源|新京報