淺談長(zhǎng)征七號(hào)讓長(zhǎng)征火箭實(shí)現(xiàn)脫胎換骨論文
“點(diǎn)火!起飛!”伴隨著振聾發(fā)聵的轟鳴聲，2016年6月25日晚上8時(shí)，海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，我國(guó)全新研制的長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭劃破天際，沖向云霄。約603秒后，載荷組合體與火箭成功分離，進(jìn)入近地點(diǎn)200千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)394千米的橢圓軌道，長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭首次發(fā)射圓滿成功。
長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭首飛，是載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室飛行任務(wù)的開(kāi)局之戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了“成功首飛”的預(yù)定目標(biāo)，為后續(xù)任務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此次發(fā)射，旨在驗(yàn)證長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)正確性和各項(xiàng)性能指標(biāo)，考核海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)能力，檢驗(yàn)工程相關(guān)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性和匹配性。同時(shí)，長(zhǎng)征七號(hào)火箭搭載多用途飛船縮比返回艙等載荷，將開(kāi)展相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)。這是長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的第230次飛行。
新動(dòng)力讓火箭更“環(huán)保”
長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭為兩級(jí)結(jié)構(gòu)，捆綁四枚助推器，全長(zhǎng)53.1米，起飛質(zhì)量597噸，近地軌道運(yùn)載能力13.5噸，采用了液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)等新技術(shù)，是綠色、無(wú)毒、無(wú)污染的新一代中型運(yùn)載火箭，將有效提升我國(guó)進(jìn)出空間的能力。
長(zhǎng)征七號(hào)沿用了過(guò)去長(zhǎng)征火箭家族3.35米直徑的設(shè)計(jì)，既可以滿足海南發(fā)射場(chǎng)發(fā)射要求，同時(shí)也可以通過(guò)陸路運(yùn)輸運(yùn)往內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行發(fā)射，發(fā)射適應(yīng)性更強(qiáng)。
長(zhǎng)征七號(hào)火箭的外形和我國(guó)現(xiàn)有的火箭體型差別不大，但為了儲(chǔ)存更多的燃料，提供更強(qiáng)的動(dòng)力，它的助推器長(zhǎng)約27米，接近現(xiàn)役火箭助推器長(zhǎng)度的2倍，而這種改變也需要對(duì)火箭的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的更新。而“長(zhǎng)七”火箭又增加了一個(gè)捆綁點(diǎn)，相對(duì)現(xiàn)役火箭靜定的捆綁方案，載荷、捆綁裝置等設(shè)計(jì)難度大大增加、可靠性大幅提升。
不同于現(xiàn)役火箭多采用有劇毒的推進(jìn)劑，長(zhǎng)征七號(hào)火箭采用我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兩種新型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，較常規(guī)推進(jìn)劑比沖提高20%，推力提高了60%，平均成本僅為常規(guī)推進(jìn)劑的十分之一強(qiáng)，不僅秉承了中國(guó)航天綠色環(huán)保的發(fā)展理念，順應(yīng)國(guó)際潮流，還降低了成本，提高了火箭性能。
由于液氧的溫度達(dá)零下183℃，在研制火箭的試驗(yàn)中，每次低溫燃料加注后，試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的發(fā)射塔就像是個(gè)“大冷庫(kù)”。雖然看起來(lái)是“鋼筋鐵骨”的大個(gè)子，體重幾百噸，但火箭體重的90%甚至更多都是燃料。由于燃料質(zhì)量不能隨意增減，為了帶更多的“乘客”去太空，減輕火箭自重就成了關(guān)鍵。因此，火箭外殼很薄，最薄處僅有0.8毫米，和雞蛋殼差不多，可以說(shuō)是薄如蟬翼卻力量驚人。
第一枚全數(shù)字火箭
長(zhǎng)征七號(hào)是首個(gè)揭開(kāi)神秘面紗的“數(shù)字火箭”，它采用全數(shù)字化手段完成研制，突破了三維協(xié)同設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理及基于三維的流程仿真、飛行綜合性能仿真等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打通了從設(shè)計(jì)到制造的全三維流程。火箭在全研制流程沒(méi)有一張紙質(zhì)圖紙，航天科技工作者稱火箭設(shè)計(jì)從紙質(zhì)“連環(huán)畫”變成了“3D電影”。
在生產(chǎn)加工階段，火箭實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”加工。原來(lái)工藝員加工某金屬零部件，首先要根據(jù)二維圖紙畫出工序草圖、手工編制工藝規(guī)程，然后進(jìn)行車、銑、鏜等系列工序。現(xiàn)在，從原材料變?yōu)槌善罚恍璋磩?dòng)數(shù)控機(jī)床按鈕即可完成，且合格率達(dá)100%，可謂是一鍵定“乾坤”，極大地提升了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。在試驗(yàn)、裝配階段，“數(shù)字火箭”應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，對(duì)火箭進(jìn)行虛擬裝配、虛擬試驗(yàn)，真實(shí)模擬火箭實(shí)際裝配和試驗(yàn)環(huán)境，提前預(yù)見(jiàn)可能發(fā)生的問(wèn)題，確保了火箭試驗(yàn)、裝配“一次成”。
長(zhǎng)征七號(hào)火箭的首飛成功，代表了我國(guó)近60年運(yùn)載火箭研制領(lǐng)域的最高水平，研制能力接近波音、空客和NASA，標(biāo)志著中國(guó)新一代運(yùn)載火箭在數(shù)字化設(shè)計(jì)能力上已躋身國(guó)際先進(jìn)行列。
新結(jié)構(gòu)給“大腦”帶來(lái)全新挑戰(zhàn)
火箭復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，給火箭的“大腦”控制系統(tǒng)也帶來(lái)了全新的挑戰(zhàn)。為了更好地控制火箭的飛行過(guò)程，將航天器精確送入軌道，長(zhǎng)征七號(hào)使用新型總線控制，實(shí)現(xiàn)遙、外測(cè)一體化設(shè)計(jì)，采用天基測(cè)控實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼傳輸，并且按照載人航天標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冗余，設(shè)計(jì)可靠性得到大幅提高。
控制系統(tǒng)創(chuàng)新采用了143項(xiàng)智能控制軟件，這是現(xiàn)役火箭軟件使用量的30倍以上，大大提高了控制精確度，在每個(gè)艙段中安裝控制系統(tǒng)，改變了以往集中處理的方式，減輕了控制系統(tǒng)壓力，也標(biāo)志著我國(guó)火箭控制系統(tǒng)已向全面數(shù)字化控制模式發(fā)展。長(zhǎng)征七號(hào)未來(lái)成熟后將成為新一代載人火箭，用于發(fā)射新一代載人飛船。
“新三垂模式”讓火箭發(fā)射更簡(jiǎn)便
火箭在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行的垂直總裝、垂直測(cè)試、垂直轉(zhuǎn)場(chǎng)，被稱為“三垂模式”。
現(xiàn)役火箭中采用的“三垂模式”，其箭地連接工作在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)要進(jìn)行兩次，而長(zhǎng)征七號(hào)火箭采用的'“新三垂模式”，僅一次對(duì)接就可以完成工作，狀態(tài)的一致性更好，且前端地面測(cè)發(fā)控設(shè)備在技術(shù)區(qū)進(jìn)行了充分測(cè)試，轉(zhuǎn)場(chǎng)中保持箭地之間氣、液、電連接狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)至發(fā)射區(qū)以后出現(xiàn)故障的概率更低，有效提高了發(fā)射的可靠性，同時(shí)，發(fā)射區(qū)準(zhǔn)備時(shí)間縮短至2天～3天，降低了火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)后遇到惡劣天氣再返回技術(shù)區(qū)的情況發(fā)生。
風(fēng)雨“難阻”發(fā)射
海南發(fā)射場(chǎng)氣候潮濕，降水量大，全年12小時(shí)內(nèi)降水5至15毫米的長(zhǎng)征七號(hào)部件測(cè)試長(zhǎng)征七號(hào)殼體中雨較多。為此，在火箭研制之初，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就將“防水”工作列為重中之重。例如在部段對(duì)接處、細(xì)小的孔徑和縫隙處都要做防水處理;在排氣孔處，實(shí)現(xiàn)排氣防水雙功能并舉;針對(duì)低溫液體貯箱加注后無(wú)法避免的冷凝水聚集問(wèn)題，開(kāi)設(shè)排水孔等。
現(xiàn)役火箭發(fā)射時(shí)都會(huì)避開(kāi)雷雨天，但海南文昌發(fā)射場(chǎng)氣候潮濕，降水量大，因此長(zhǎng)征七號(hào)采用防水設(shè)計(jì)，就像給火箭穿上了金鐘罩鐵布衫，即使中雨也能發(fā)射。此外，海南文昌發(fā)射場(chǎng)有“淺層風(fēng)”，給長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭垂直轉(zhuǎn)場(chǎng)帶來(lái)挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)部門給長(zhǎng)征七號(hào)裝上了“防風(fēng)減載裝置”，即使遇到8級(jí)大風(fēng)也不怕。
火箭發(fā)射平臺(tái)還要涂覆大面積“防曬霜”——一種特種防護(hù)涂層。這是因?yàn)榛鸺l(fā)射點(diǎn)火的剎那，溫度高達(dá)2800℃，足以熔化絕大多數(shù)金屬和非金屬材料。表面有了防熱涂層，發(fā)射平臺(tái)的使用壽命就可以延長(zhǎng)，更好地承受強(qiáng)熱流的“沖刷”。
新一代運(yùn)載火箭發(fā)射還有針對(duì)強(qiáng)高溫的“雙保險(xiǎn)”。在火箭點(diǎn)火起飛時(shí)，發(fā)射平臺(tái)旁的“大流量噴水降溫降噪系統(tǒng)”會(huì)給發(fā)射平臺(tái)噴水降溫，在20秒內(nèi)噴出400噸水。在噴射的400噸水中，有30%的水會(huì)汽化到大氣中，60%的水則通過(guò)導(dǎo)流槽流走，水份蒸發(fā)帶走大量的熱，使得發(fā)射平臺(tái)核心區(qū)降溫幅度在1000℃左右，有效地保護(hù)了火箭發(fā)射臺(tái)內(nèi)部的儀器設(shè)備。此外，該系統(tǒng)還有良好的降低噪音效果。
開(kāi)啟我國(guó)航天任務(wù)的全新階段
新的結(jié)構(gòu)、新的環(huán)境、新的體制、新的測(cè)發(fā)、新的動(dòng)力，代表了先進(jìn)火箭的發(fā)展方向�！伴L(zhǎng)七”火箭作為新一代運(yùn)載火箭中的中型火箭，也將開(kāi)啟我國(guó)航天任務(wù)的全新階段。
長(zhǎng)征七號(hào)不僅可以滿足我國(guó)載人空間站工程發(fā)射貨運(yùn)飛船的需求，而且未來(lái)它還將承擔(dān)中國(guó)航天多種類型的發(fā)射任務(wù)。長(zhǎng)征七號(hào)火箭在完成此次首飛任務(wù)之后，未來(lái)將承擔(dān)我國(guó)首個(gè)空間貨運(yùn)飛船——天舟一號(hào)的發(fā)射，為我國(guó)長(zhǎng)期有人照料的空間站搭建起“天地運(yùn)輸走廊”。
同時(shí)作為我國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭的基本構(gòu)型，通過(guò)改型或與上面級(jí)組合，長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載能力覆蓋大多數(shù)主流衛(wèi)星所需的運(yùn)載能力，面向主流衛(wèi)星市場(chǎng)，適應(yīng)面更寬，是我國(guó)未來(lái)航天發(fā)射任務(wù)的“主力軍”，未來(lái)將成為在役主力火箭的“接班人”，肩負(fù)著長(zhǎng)征火箭技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代的歷史重任。
未來(lái)：會(huì)有更大直徑火箭誕生
中國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭的直徑，受限于馬屁股的寬度?沒(méi)錯(cuò)，這個(gè)有趣的觀點(diǎn)可以追溯到火車和鐵軌的發(fā)明。由于中國(guó)的火箭研制地與發(fā)射地有一定距離，大多用火車或者汽車運(yùn)輸，路上難免會(huì)通過(guò)一些隧道，而隧道的寬度又是由鐵軌間的距離決定的�？紤]到火車晃動(dòng)、會(huì)車等因素，火箭的直徑就更受限制了。
火車軌道的寬度沿用了馬車的輪寬標(biāo)準(zhǔn)，而馬車的輪寬可以一直追溯到羅馬戰(zhàn)車，古羅馬人是按照拉戰(zhàn)車的兩匹馬的屁股寬度設(shè)定的。因此，中國(guó)的現(xiàn)役運(yùn)載火箭的最大直徑就“止步”在3.35米。
而海南文昌發(fā)射場(chǎng)啟用后，這個(gè)限制就可以突破了，因?yàn)榛鸺梢酝ㄟ^(guò)海運(yùn)，不再受限于隧道的寬度。今年下半年將發(fā)射的中國(guó)最大的火箭長(zhǎng)征五號(hào)的直徑就達(dá)到了5米，未來(lái)，中國(guó)還會(huì)有更大直徑的火箭誕生。
火箭的運(yùn)載能力有多大，中國(guó)航天的舞臺(tái)就有多大。據(jù)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院介紹，中國(guó)目前研制規(guī)模和技術(shù)跨度最大的火箭——長(zhǎng)征五號(hào)將于今年下半年首飛，具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸的運(yùn)載能力，與國(guó)際上主流運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力相當(dāng)，將承擔(dān)發(fā)射嫦娥五號(hào)、空間站核心艙以及火星探測(cè)器等具有里程碑意義的重大任務(wù)，將大幅提高中國(guó)進(jìn)入太空的能力。
此外，中國(guó)15年內(nèi)有望發(fā)射重型運(yùn)載火箭。在目前的設(shè)計(jì)藍(lán)圖中，重型運(yùn)載火箭箭體直徑近10米，全箭總長(zhǎng)近百米，運(yùn)載能力是現(xiàn)有火箭運(yùn)載能力的5倍多，超過(guò)正在研制的美國(guó)下一代運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力，可滿足未來(lái)載人月球探測(cè)、火星取樣返回，太陽(yáng)系行星探測(cè)等多種深空探測(cè)任務(wù)需求，保障中國(guó)在未來(lái)宇宙探索和更大更遠(yuǎn)空間的話語(yǔ)權(quán)。
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