一道世界級航天難題是如何被攻克的

邱晨輝 楊潔

2021 年10 月16 日，長征二號F 遙十三運載火箭成功發(fā)射神舟十三號飛船，中國空間站迎來新的“太空出差三人組”。電視直播畫面顯示，三名航天員在升空時神態(tài)比較放松。

這樣輕松的畫面，讓中國航天科技集團(tuán)一院長征二號F 遙十三運載火箭總體主任設(shè)計師常武權(quán)，想起了我國首位進(jìn)入太空的航天員楊利偉曾經(jīng)歷的“難以承受”的26 秒。在《太空一日》一文中，楊利偉回憶稱：“痛苦的感覺越來越強烈，五臟六腑似乎都要碎了。我?guī)缀蹼y以承受，覺得自己快不行了。”

常武權(quán)說，讓楊利偉“難以承受”的源頭是共振，這曾是一個世界級的航天發(fā)射難題。早在20 世紀(jì)60 年代，美國大力神火箭在發(fā)射過程中，就曾經(jīng)出現(xiàn)過持續(xù)30 秒的振動。法國的火箭也曾出現(xiàn)過類似問題，衛(wèi)星壽命因此受到影響。

如何讓中國航天員不再承受這樣的痛苦，消除火箭飛行失敗的隱患？中國航天科技集團(tuán)一院所屬北京強度環(huán)境研究所試驗人員經(jīng)過測算分析后認(rèn)為，“病根”可能出在氧化劑上，當(dāng)氧化劑中燃料的振動頻率和火箭結(jié)構(gòu)的振動頻率接近的時候，很可能會發(fā)生結(jié)構(gòu)與液體耦合的發(fā)散振動。

在理論分析后，該所試驗人員隨之進(jìn)行全箭模態(tài)試驗和氧化劑管路液體特性試驗。試驗時，試驗人員先向一個燃料管里注入燃料，然后給燃料管加載不同頻率的振動，觀察燃料的振動頻率。

如果試驗室數(shù)據(jù)與全箭模態(tài)試驗數(shù)據(jù)相吻合，就能證明試驗人員的推斷是正確的。

經(jīng)過半年多的調(diào)查、分析、計算等，試驗人員最終得出結(jié)論，問題就出在火箭產(chǎn)生了一種發(fā)散振動——POGO 振動。這一結(jié)論印證了他們之前的推測。

常武權(quán)說，在找到問題根源之后，一院研制團(tuán)隊進(jìn)行改進(jìn)，原本長征二號F 遙五運載火箭的助推器蓄壓器上裝有兩個膜盒，到了長征二號F遙六運載火箭時，膜盒減少至一個。這種改進(jìn)成效明顯，長征二號F 遙六運載火箭發(fā)射神舟六號載人飛船時，振動量級和振動時間都減少了，航天員反映振動輕多了。

“輕多了”意味著，研究方向是對的，可問題并未完全解決。

研制團(tuán)隊繼續(xù)優(yōu)化設(shè)計，將助推器蓄壓器改成了“變能量蓄壓器”，在不同飛行時段采用不同PV 值的蓄壓器，該裝置能夠吸收燃料振動時產(chǎn)生的能量，改變?nèi)剂系恼駝宇l率，火箭就不再產(chǎn)生POGO 振動。

長征二號F 遙七運載火箭發(fā)射神舟七號載人飛船后，航天員聶海勝反饋稱：“我們乘坐的火箭非常舒適，幾乎感覺不到振動。”短短的一句話，意味著一院已經(jīng)攻克了共振的難題。

（摘自2021 年10 月18 日《中國青年報》，王果圖）