北京時(shí)間2022年7月18日上午，“問天”實(shí)驗(yàn)艙與“長征五號(hào)B”遙三運(yùn)載火箭組合體自文昌發(fā)射場垂直總裝廠房轉(zhuǎn)場至101發(fā)射工位，發(fā)射任務(wù)準(zhǔn)備工作進(jìn)入最后階段。

“問天”實(shí)驗(yàn)艙的起飛質(zhì)量達(dá)到了20余噸，在我國現(xiàn)役火箭當(dāng)中只有“長五”的運(yùn)力能夠勝任發(fā)射工作。針對(duì)空間站任務(wù)，我國在“長五”基本型基礎(chǔ)上研制了“長五B”火箭，后者沿用了前者的芯一級(jí)和助推器，去掉芯二級(jí)，換用了長達(dá)20.5米、直徑5.2米的整流罩。從“長五”到“長五B”，看似只需去掉芯二級(jí)、換大整流罩這么簡單，實(shí)則需要突破4大關(guān)鍵技術(shù)！

超大整流罩研制

“長五”基本型的整流罩直徑達(dá)到了5.2米，其中有效載荷最大包絡(luò)直徑4.5米，長度12.267米，如果用于執(zhí)行空間站任務(wù)，直徑夠了，長度不夠。為了能夠勝任長度超過15米的空間站艙段運(yùn)輸任務(wù)，“長五B”配備了長達(dá)20.5米、直徑5.2米的國內(nèi)最大尺寸整流罩，從表面上看似乎只是簡單加長了柱段，實(shí)則該整流罩的研制是4大關(guān)鍵技術(shù)之首！

“長五B”整流罩是世界上規(guī)模最大的采用旋轉(zhuǎn)分離方式的整流罩，需要突破氣動(dòng)作用下彈性整流罩分離動(dòng)力學(xué)技術(shù)瓶頸，進(jìn)而掌握空間站大型整流罩可控分離技術(shù)?！伴L五B”運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)總體副主任設(shè)計(jì)師馮韶偉，負(fù)責(zé)長五系列運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)及分離總體設(shè)計(jì)工作，他完成了數(shù)十項(xiàng)關(guān)鍵參數(shù)的協(xié)調(diào)和優(yōu)化，解決了低剛度整流罩分離預(yù)示難題，驗(yàn)證了分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)的正確性。最終，馮韶偉帶領(lǐng)研制團(tuán)隊(duì)順利完成各項(xiàng)功能的閉環(huán)設(shè)計(jì)，并在首飛任務(wù)中完成驗(yàn)證。

大直徑艙箭分離

任務(wù)中，空間站艙段和“長五B”火箭的連接接口直徑超過4米，艙段和火箭質(zhì)量較大，艙箭分離需要考慮可靠性、沖擊環(huán)境等多個(gè)方面的因素。為此，“長五B”需要配置承載能力更強(qiáng)、可靠性更高的線性分離裝置，但這種連結(jié)方式對(duì)機(jī)械接口設(shè)計(jì)、界面降沖擊設(shè)計(jì)提出了新的要求，技術(shù)跨度和研制難度前所未有。馮韶偉提出非直接接觸式星箭接口設(shè)計(jì)方案，突破了大直徑線性分離裝置對(duì)有效載荷的降沖擊設(shè)計(jì)難題，實(shí)現(xiàn)沖擊量級(jí)降低70%。

針對(duì)空間站任務(wù)提出的大噸位艙箭的近場安全分離需求，馮韶偉牽頭設(shè)計(jì)了高可靠、無污染的分離系統(tǒng)方案，實(shí)現(xiàn)了世界上在役火箭最大規(guī)模星箭分離系統(tǒng)的安全分離。

大推力直接入軌

“長五B”火箭采用一級(jí)半構(gòu)型，末級(jí)火箭即芯一級(jí)沒有單獨(dú)的調(diào)姿和末速修正系統(tǒng)，僅僅依靠芯一級(jí)火箭就直接將航天器送入預(yù)定軌道。當(dāng)芯一級(jí)2臺(tái)YF-77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)時(shí)，1400千牛（約143噸）的推力在幾秒鐘之內(nèi)消失，相當(dāng)于一輛高速行駛的列車突然“剎車”，并要穩(wěn)穩(wěn)地進(jìn)入指定位置，這要求火箭停得住、停得穩(wěn)、停得準(zhǔn)，對(duì)火箭飛行控制提出了很高的要求。

在世界現(xiàn)役其它火箭當(dāng)中，末級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力最大的是“獵鷹”系列火箭，其芯二級(jí)配備了1臺(tái)“真空默林”液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，真空推力為981千牛（約100噸），其余大部分火箭的末級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力不到50噸，甚至還有一些中大型火箭上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)推力不足10噸，這些與“長五B”末級(jí)（芯一級(jí)）發(fā)動(dòng)機(jī)推力存在較大差距，沒有“長五B”力氣太大的煩惱。相較而言，推力更小的發(fā)動(dòng)機(jī)通常更容易精準(zhǔn)控制推力，以實(shí)現(xiàn)載荷精準(zhǔn)入軌，而讓“長五B”實(shí)現(xiàn)大推力直接入軌看起來就像“張飛繡花”，難度可想而知。

“零窗口”發(fā)射

作為執(zhí)行空間站任務(wù)的火箭，空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)對(duì)“長五B”火箭提出了“零窗口”的發(fā)射需求，發(fā)射時(shí)間精度誤差要控制在正負(fù)1秒以內(nèi)。但是作為低溫火箭，“長五B”面臨著低溫推進(jìn)劑加注問題和復(fù)雜的發(fā)射前流程，實(shí)施“零窗口”發(fā)射相比常溫火箭難度大得多。為了解決這個(gè)問題，研制團(tuán)隊(duì)對(duì)箭上控制系統(tǒng)迭代制導(dǎo)方案進(jìn)行了優(yōu)化改進(jìn)，將“零窗口”拓展到正負(fù)1分鐘的“窄窗口”，火箭可以在飛行過程中修正偏差，將空間站艙段精準(zhǔn)送入目標(biāo)軌道。

從“長五”到“長五B”遵循了模塊化、系列化的研制思路，實(shí)現(xiàn)了助推器和芯一級(jí)模塊的完全共用，不僅降低了研制成本，而且實(shí)現(xiàn)了對(duì)共性技術(shù)的最大驗(yàn)證，提升了火箭的可靠性和任務(wù)適應(yīng)性?？臻g站任務(wù)是中國載人航天工程大艙段近地軌道運(yùn)輸任務(wù)，約束條件較多，從“長五”到“長五B”絕不僅僅是構(gòu)型上的部分變化，而是需要突破超大整流罩研制、大直徑艙箭連接分離、大推力直接入軌偏差精確控制、“零窗口”發(fā)射等4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，也就才有了中國運(yùn)載火箭現(xiàn)役近地最強(qiáng)運(yùn)力。

放眼世界，“長五B”是一個(gè)很特別的存在，是目前世界在役火箭中唯一一級(jí)半直接入軌的火箭。雖然研制“長五B”面臨較大的技術(shù)難度，但是火箭系統(tǒng)簡潔，所有發(fā)動(dòng)機(jī)的點(diǎn)火都在地面完成，也無需進(jìn)行級(jí)間分離、高空發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)等動(dòng)作，降低了故障發(fā)生的概率，擁有更高的可靠性。目前，“長五B”已經(jīng)先后成功執(zhí)行了新一代載人飛船、“天和”核心艙等2次發(fā)射任務(wù)，并在遙二開始進(jìn)入應(yīng)用性發(fā)射階段，接下來還將先后執(zhí)行“問天”實(shí)驗(yàn)艙、“夢天”實(shí)驗(yàn)艙以及“巡天”望遠(yuǎn)鏡的發(fā)射任務(wù)，發(fā)發(fā)皆重磅！

作者：大白高國

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