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新火箭新“技能”:詳解長五B四大“黑科技”

2020年05月05日19:34 | 來源:人民網-科技頻道
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人民網北京5月5日電(趙竹青)5月5日,隨著海南文昌航天發射場一道烈焰劃過天際,長征五號B遙一運載火箭發射成功,將新一代載人飛船試驗船及返回艙試驗艙的組合體送入預定軌道。

長征五號B火箭為了當好運送空間站艙段的“專屬列車”,其抓總研制單位航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院開展了多項技術攻關和創新,掌握了一批具有自主知識產權的核心技術。

長征五號B運載火箭總指揮王玨表示,作為專門為載人航天工程空間站建設而研制的一型新型運載火箭,長征五號B火箭的首飛成功,標志著空間站工程建設進入了實質階段。

“黑科技”一:超大整流罩研制

整流罩是運載火箭的重要組成部分,用於保護衛星或其他有效載荷免受氣動力、氣動加熱及聲振等有害環境的影響。長征五號B火箭擁有目前我國最長最大的整流罩,整流罩長度達到20.5米、直徑5.2米,相當於六層樓的高度,如此寬敞的空間,也是為了發射空間站核心艙和實驗艙而量身打造的。

據了解,為了改善氣動特性,長征五號B火箭整流罩採用流線型的馮卡門曲線外形,可以更好的減小空氣阻力,減輕載荷影響。馮卡門曲線是一種非線性曲線,按照馮卡門曲線制造的整流罩展開之后並不是一個平面,而是立體的,制造難度高於錐形整流罩。

作為我國長度最長、重量最重的整流罩,另一個技術難點在於如何做到安全可靠的分離。經過多方案比較,最終確定了採用旋轉式分離方案,通過大量的仿真分析、預示,對整流罩分離方案進行評估,並多次開展了整流罩分離試驗,有效驗証了設計正確性和各系統接口協調性。

“黑科技”二:驗証“零窗口”發射技術

火箭發射窗口是指允許火箭發射的時間范圍,一般是根據衛星或飛船入軌要求以及多種限制條件綜合權衡后確定的,比如,衛星的軌道精度要求、地球與行星的相對位置要求等等。“零窗口”是指發射時間范圍為零的發射窗口,也就是要求火箭必須分秒不差的點火升空,在發射天宮一號及北斗導航衛星時都曾經實施過“零窗口”發射。

作為未來發射空間站核心艙和實驗艙的火箭,空間站交會對接任務對長征五號B火箭提出了“零窗口”發射的需求,發射時間精度誤差要控制在1秒以內。雖然不是第一型實施“零窗口”發射的火箭,但作為採用液氫、液氧等低溫推進劑的“冰箭”,長征五號B火箭的“零窗口”發射有著更高的技術含量和更大的技術難度,也開創了新一代運載火箭“零窗口”發射的先河。

為了做到“零窗口”發射,火箭各系統要確保在點火前一段時間就完成各項准備,以准備好的狀態等待點火。由於低溫推進劑加注后會不停的“蒸發”消耗,因此,發射准備好的狀態並不是越早越好,而是要嚴格按照時間要求精准的完成,並且充分做好應對各種可能情況的工作預案。作為我國最復雜的運載火箭,長征五號火箭發射前非常“繁忙”,任何一處細微的差錯都可能造成發射流程的拖延,進而影響“零窗口”的實現。

長征五號B運載火箭總設計師李東介紹,研制團隊從系統發射可靠性提升和發射流程優化兩個方面開展了工作。通過開展可靠性試驗和分析工作,實現了關鍵系統可靠性提升﹔通過射前流程優化,進一步提高了各系統對於“零窗口”發射的適應性。

“黑科技”三:大直徑艙箭分離

空間站艙段和長征五號B火箭的連接接口直徑超過4米,“乘客”和火箭的分離不是“下車”那麼簡單,需要考慮可靠性、沖擊環境等多個方面的因素,既要確保安全分離,又要盡量將分離過程中出現的沖擊環境等不利影響降到最低,形象一點說,要像把嬰兒抱出嬰兒車那般輕柔、謹慎的完成空間站艙段與火箭的分離。

長征五號B火箭研制團隊圍繞降低和改善沖擊環境開展了專題攻關,對多種降沖擊方案進行比較和試驗后,採用了“隔沖框+阻尼盒”的降沖擊方案,並應用了“顆粒阻尼技術”。

“顆粒阻尼技術”是一種新型振動被動控制技術,通過顆粒體和阻尼器構成一個耦合、封閉的非線性系統,依靠摩擦和非彈性碰撞,迅速地耗散動能,實現減振降噪的效果。經過試驗驗証,艙箭分離界面的分離得到有效改善,空間站艙段可以在“下車”過程中感受到火箭的“溫柔”。

“黑科技”四:大推力直接入軌

作為一級半構型的火箭,長征五號B火箭沒有單獨的調姿和末速修正系統,而是利用一級火箭直接將有效載荷送入預定軌道。在一級發動機關機時,約140噸的推力在幾秒鐘之內消失,相當於一輛高速行駛的火車突然“剎車”,還要穩穩停靠在指定位置。

為了滿足入軌精度、分離安全等方面的更高要求,研制團隊開展了入軌姿態控制、入軌精度控制、分離安全控制等方面的技術攻關。

李東介紹,通過採用姿態控制增益優化和復合制導方法,提高了火箭姿態控制精度,降低了制導誤差對精度的影響,使火箭在分離時處於最佳“姿態”和最准位置。同時,設置了2枚離軌火箭,使火箭一級箭體可以及時避開空間站艙段的軌道面,提高了艙箭分離的安全裕度。

由此,長征五號B火箭成為第一型隻靠助推及一級飛行就能實現有效載荷精確入軌的火箭。 

(責編:趙竹青、呂騫)

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