從點(diǎn)火到入軌一氣呵成 它是我國(guó)首個(gè)一級(jí)半構(gòu)型火箭
2020年5月5日，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)首飛成功，揭開了我國(guó)載人航天空間站建設(shè)的大幕。
長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭是我國(guó)首個(gè)一級(jí)半構(gòu)型火箭。什么是火箭構(gòu)型？一級(jí)半的長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭強(qiáng)在哪？本文帶您了解它身上的黑科技。
無級(jí)間分離提升系統(tǒng)可靠性
按照構(gòu)型，火箭分為單級(jí)火箭和多級(jí)火箭兩類，火箭助推器通常被算作半級(jí)。
目前我國(guó)航天任務(wù)采用較多的是多級(jí)火箭。其工作特點(diǎn)是，火箭點(diǎn)火后一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)開始工作，燃料用完，一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，并和燃料儲(chǔ)箱一起從箭體上分離。其余各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)也是如此，通過這種“卸包袱”的形式，讓火箭輕裝前行，持續(xù)獲得良好的加速性能。在此基礎(chǔ)上，各級(jí)火箭分別承擔(dān)“起跑、加速跑、沖刺”的任務(wù)。
長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭是在一級(jí)上捆綁了4個(gè)助推器，屬于一級(jí)半火箭。相比多級(jí)火箭的“接力”，它則是從點(diǎn)火到入軌一氣呵成，是我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭中唯一一款直接入軌的火箭。
這樣的構(gòu)型不僅豐富和完善了我國(guó)新一代運(yùn)載火箭型譜，也提升了系統(tǒng)可靠性。要知道，級(jí)間分離是火箭飛行中最容易出現(xiàn)問題的環(huán)節(jié)之一�；鸺�(jí)間分離時(shí)，下級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)，級(jí)間分離火工品工作使兩級(jí)分開。為避免分開的兩級(jí)發(fā)生“追尾”和“碰撞”，要用側(cè)推小火箭或反推小火箭點(diǎn)火，讓分離開的兩級(jí)隔出一段安全距離，上級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)再點(diǎn)火繼續(xù)飛行。這一系列動(dòng)作十分復(fù)雜，對(duì)控制的要求極高。長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭系統(tǒng)簡(jiǎn)單，無級(jí)間分離，可靠性自然就高。
要“上得去”并“送得準(zhǔn)”
一級(jí)半直接入軌雖然“簡(jiǎn)單粗暴”，要實(shí)現(xiàn)卻不容易，需要滿足兩個(gè)基本條件：推力夠大“上得去”、精確入軌“送得準(zhǔn)”。
長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭未來將承擔(dān)空間站艙段運(yùn)送任務(wù)，是我國(guó)近地軌道運(yùn)載能力最大的火箭。它的底氣來源于我國(guó)為新一代運(yùn)載火箭研制的2款發(fā)動(dòng)機(jī)，充分發(fā)掘了液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)大推力、氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)高比沖的優(yōu)勢(shì)。
該火箭的4個(gè)助推器配置了共8臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，地面推力可達(dá)9600千牛。這樣的推力能讓火箭點(diǎn)火后獲得較大加速度�；鸺患�(jí)配置的2臺(tái)YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)具備高比沖的特點(diǎn)，能使火箭以較少燃料獲得較大推力。但對(duì)于一級(jí)半火箭來說，沒有上面級(jí)進(jìn)行軌道修正，如何保證入軌精度？
為此，火箭研制團(tuán)隊(duì)研發(fā)了大推力直接入軌技術(shù)。該技術(shù)能在火箭點(diǎn)火之后，依靠先進(jìn)的制導(dǎo)技術(shù)，不斷調(diào)整火箭彈道，直奔目標(biāo)而去。為了實(shí)現(xiàn)“自動(dòng)駕駛”，研制團(tuán)隊(duì)在長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭上創(chuàng)新運(yùn)用了姿態(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。
同時(shí)，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭還運(yùn)用了大直徑艙箭分離技術(shù)。未來實(shí)施空間站發(fā)射任務(wù)時(shí)，當(dāng)火箭把空間站艙段送到預(yù)定位置，兩者就要分離。空間站艙段重達(dá)20多噸，和火箭連接接口直徑超過4米，分離時(shí)稍有磕碰或“較勁”，都有可能出現(xiàn)損傷。研制團(tuán)隊(duì)圍繞降低和改善沖擊環(huán)境開展專題攻關(guān)，采用“隔沖框＋阻尼盒”的降沖擊方案，并應(yīng)用“顆粒阻尼技術(shù)”，以實(shí)現(xiàn)減振降噪效果，讓火箭上的“乘客”在“到站”后，能夠安全“下車”。
整流罩不止于大
長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭身上還有多項(xiàng)國(guó)內(nèi)首創(chuàng)的黑科技，比如整流罩。
整流罩是運(yùn)載火箭的重要組成部分，用于保護(hù)衛(wèi)星或其他有效載荷免受氣動(dòng)力、氣動(dòng)加熱及聲振等有害環(huán)境的影響。長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭擁有目前我國(guó)最長(zhǎng)最大的整流罩，整流罩長(zhǎng)達(dá)20.5米，相當(dāng)于6層樓高，直徑達(dá)到5.2米。如此寬敞的空間，是為發(fā)射空間站核心艙和實(shí)驗(yàn)艙量身打造的。
為了改善氣動(dòng)特性，該整流罩采用了馮·卡門曲線外形。馮·卡門曲線是一種非線性曲線，可以更好地減小空氣阻力，減輕載荷所受影響。但如此外形的整流罩，展開之后并不是一個(gè)平面，而是立體的，制造難度高于傳統(tǒng)的錐形整流罩。
作為我國(guó)長(zhǎng)度最長(zhǎng)、重量最重的整流罩，另一個(gè)技術(shù)難點(diǎn)在于如何保證分離時(shí)的安全可靠。經(jīng)過多方案對(duì)比，科技人員確定采用旋轉(zhuǎn)式分離方案，并為此開展了大量仿真分析，以及多次整流罩分離試驗(yàn)，有效驗(yàn)證了設(shè)計(jì)正確性和各系統(tǒng)接口協(xié)調(diào)性。
開創(chuàng)“冰箭”零窗口發(fā)射先河
火箭發(fā)射窗口指允許火箭發(fā)射的時(shí)間范圍，一般需要綜合權(quán)衡衛(wèi)星或飛船入軌要求以及多種限制條件后確定，比如衛(wèi)星的軌道精度要求、地球與行星的相對(duì)位置要求等。“零窗口”是指發(fā)射時(shí)間范圍為零的發(fā)射窗口，也就是要求火箭必須分秒不差地點(diǎn)火升空。
未來的空間站交會(huì)對(duì)接任務(wù)，對(duì)長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭也提出了“零窗口”發(fā)射需求，發(fā)射時(shí)間精度誤差要控制在1秒以內(nèi)。作為采用液氫、液氧等低溫推進(jìn)劑的“冰箭”，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭的“零窗口”發(fā)射有著更高技術(shù)含量和更大難度。此次發(fā)射成功，也開創(chuàng)了新一代運(yùn)載火箭“零窗口”發(fā)射的先河。
為了實(shí)現(xiàn)“零窗口”發(fā)射，火箭各系統(tǒng)要確保在點(diǎn)火前一段時(shí)間就完成各項(xiàng)準(zhǔn)備。但低溫推進(jìn)劑加注后會(huì)不停地蒸發(fā)消耗，因此長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭的準(zhǔn)備狀態(tài)并不是越早越好，而要嚴(yán)格按照時(shí)間要求精準(zhǔn)完成，并且為應(yīng)對(duì)各種情況充分做好預(yù)案。
作為我國(guó)最復(fù)雜的運(yùn)載火箭，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭發(fā)射前非常繁忙，任何一處細(xì)微差錯(cuò)都可能造成發(fā)射流程延誤，進(jìn)而影響“零窗口”的實(shí)現(xiàn)。研制團(tuán)隊(duì)通過開展大量分析和試驗(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，進(jìn)一步提高了各系統(tǒng)對(duì)于“零窗口”發(fā)射的適應(yīng)性，最終保證了任務(wù)成功實(shí)施。
