中国神箭“长征二号F”-- 六送“神舟”上九霄

   日期:2005-12-22     来源:中国科学技术信息研究所    评论:0    

     2005年10月,“长征二号F”火箭在酒泉卫星发射中心又成功地将“神舟六号”飞船送上了太空,以发射成功率100%的佳绩,完成了它的第六次完美无缺的表演,如果加上在发射“神舟”飞船前的火箭逃逸系统零高度逃逸试验,该火箭是7战7捷。

    “金牌火箭”——“长征二号F”火箭

    运载火箭是能将卫星、飞船、空间探测器等航天器送入太空的工具。据统计,美国、俄罗斯、中国、印度、日本和巴西等国家及欧洲空间局先后研制生产了各种运载火箭有23个系列、208个型号,但是其中能把载人飞船送入太空的运载火箭却为数甚少。我国是除美国和俄罗斯之外世界上第三个拥有载人航天运载火箭的国家。在世界运载火箭大家族中,“长征二号F”火箭堪称“金牌火箭”。

    “长征二号F”火箭是按中国运载火箭的“排序”被称作“长征二号F”。它是在“长征二号E”捆绑式火箭的基础上发展起来的,沿用了“长征二号E”捆绑火箭的主要构型,是一种比发射近地轨道卫星所用运载火箭要求更高、功能更多、推力更大的一种新型运载火箭,也是目前中国起飞质量最大、长度最长、系统最复杂的火箭,能把8吨的航天器送入200~350千米的近地轨道。

    “长征二号F”火箭为两级火箭,全长为58·343米,芯级直径3·135米,助推器直径2·25米,整流罩直径3·8米,起飞重量479·8吨,由四个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成,火箭使用四氧化二氮和偏二甲肼作为推进剂,是一种理想的载人航天运载火箭。

    “长征二号F”火箭和“长征二号E”火箭的运载能力都是8吨,所不同的是“长征二号F”火箭在“长征二号E”火箭的基础上,按照载人的高可靠性要求经过技术改进,进行了可靠性增长,火箭的可靠性从“长征二号E”火箭的91%提高到97%,航天员的安全性达到了99·7%。成功率为100%,同时,火箭增加了故障检测系统和用作应急救生的逃逸系统,其可靠性、安全性和成功率均已达到国际先进水平。

    “长征二号F”火箭新增加的故障检测处理系统的任务是检测火箭的重要参数,判断火箭的故障,一旦出现故障的时候,能够及时向有关系统发出逃逸和中止任务飞行的指令,同时,在航天员进行逃逸的时候,完成逃逸飞行器的时间顺序控制等。新增加的逃逸系统的任务是当火箭发生重大故障,危及航天员生命安全时,发动机点火,将航天员带到安全的高度,乘降落伞返回地面。为保证火箭的稳定性,为航天员赢得逃逸的时间,提高逃逸成功率,“长征二号F”火箭在火箭助推器的尾部,还增加了尾翼。

    为增加火箭的可靠性和安全性,“长征二号F”火箭的重要系统和关键部位首次采取冗余技术,给火箭上了“双保险”。万一主系统出现故障,可以迅速切换到备份系统上,保证火箭正常工作,保证航天员的安全。

    “长征二号F”火箭在国内航天史上首次实现了“三垂”:飞船和火箭在技术区实现了垂直总装测试;实现了运载火箭高度垂直竖立情况下,在自发电源的驱动下,沿着铁轨自行行走1.5公里的垂直运输;实现了1.5公里的远距离发射。这些技术都达到了国际先进水平。

    发射“东方号”、“上升号”飞船的“东方号”运载火箭全长38.36米,起飞质量287吨,起飞推力4002.5千米,可将4.7吨的有效载荷送入近地轨道。

    发射“联盟号”和“进步号”飞船采用的“联盟号”运载火箭是在“东方号”运载火箭基础上改进发展而成的,近地运载能力从4.7吨提高到7.2吨,“长征二号F”火箭在发射“神舟”六号过程中,经过我国甘肃、内蒙、山西、河北、山东等省、自治区的上空,在飞行高度达到接近l00千米大气层边缘的时候,抛掉整流罩以减轻重量,这时火箭加速继续前进。火箭将“神舟”飞船运送到入轨点时,即实施飞船与火箭分离。至此,运载火箭就完成了其历史使命,航天员乘坐“神舟”六号飞船在太空邀游。

    中国神箭采用了55项新技术

    “长征二号F”火箭从1992年方案论证到1999年11月首飞历时7载,在研制过程中关键技术攻关项目大大小小加起来有近百项,在国内研制的运载火箭上采用了55项新技术,其中的火箭故障检测系统和逃逸系统等主要关键技术,属于世界性难题。该火箭设计的数百种火箭故障模式及逃逸判据,实现了运载火箭在待发段和上升段发生故障时的自动检测、自动诊断故障,并能发出故障信息给逃逸系统,实施航天员自动逃逸和地面指令逃逸,这一技术达到了国际先进水平。

    从美国和俄罗斯载人航天经历可以看出,上升段最大的危险来源于火箭,如果火箭爆炸,就会产生灾难性后果。发射其它类型航天器的运载火箭,在发生姿态不稳等灾难性故障不能正常发射的时候,均设计了自毁功能,而由于载人航天安全性第一的需要,载人航天运载火箭就不能采取自毁的方法。因此,“长征二号F”火箭配备了逃逸系统,一旦在发射段出现意外,它可以随时启动,将航天员带入安全的地带。

    “长征二号F”火箭逃逸系统也叫逃逸塔,在飞船的顶部,塔高8米,从远处看像是火箭上的避雷针,与一般火箭圆锥形的头部很不相同。它的任务是在火箭起飞前900秒到起飞后160秒时间段内,也就是飞行高度在0公里至110公里时,万一火箭发生运载能力降低,发动机提前关机等重大故障时,它可以拽着轨道舱和返回舱与火箭分离,并降落在安全地带,帮助飞船上的航天员脱离险境。

    逃逸系统结构非常复杂,由5种固体发动机及整流罩的上半部分组成。这五种发动机分别是逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰发动机、高空逃逸发动机和高空分离发动机。逃逸主发动机的任务是为逃逸飞行器与故障运载火箭的分离及逃逸飞行器脱离危险区提供动力。逃逸分离发动机的任务是为返回舱与逃逸飞行器的分离及逃逸塔和运载火箭的分离提供动力。偏航、俯仰发动机的任务是,当发射台逃逸时,使逃逸飞行器能够偏出一定的水平距离(为返回舱着陆提供条件),其它情况逃逸时使逃逸飞行器偏出故障火箭的飞行管道,将其布置在分离发动机的上部,以便在相同的推力下能够产生更大的力矩。高空逃逸发动机的任务是:在逃逸塔抛掉以后,为逃逸飞行器提供离开故障火箭的动力,同时在发射台附近用来提高发射台逃逸弹道顶点的高度和水平距离。高空分离发动机的任务是:在无塔逃逸时为返回舱与逃逸飞行器的分离提供动力。

    在逃逸塔的上部,有10台发动机,从上至下为控制、分离、主逃逸和高空逃逸发动机,前3种负责39公里高度以下的逃逸工作,后一种在39至110公里高度内发挥作用。

    “长征二号F”火箭上的整流罩,并不是人们过去印象里的火箭外壳,而是由主结构及为逃逸使用的上下支撑机构、栅格翼及其释放机构、灭火装置等组成,其作用是保证分离的高可靠及满足逃逸时承受最大载荷的需要。

    “长征二号F”火箭整流罩是一种全新的金属皮加半硬壳式结构,与以往发射卫星的火箭的整流罩不同,“长征二号F”火箭整流罩在正常飞行时,主要任务是保护飞船在大气层飞行时不遭受气动开荷和气动加热的作用,而一旦火箭出现异常时(39公里以下),上半部整流罩又要充当逃逸系统的承载结构件,它的双重功能使得其设计难度相当大,与其相关联的许多部件的设计和加工都成为关键技术。

    看似简单的一个壳体,其实却比飞机舱体结构还复杂。为了加大“长征二号F”火箭可靠性、安全性系数,火箭的整流罩比传统火箭整流罩的要求更为苛刻,试验和生产的工作量比过去增加了两倍。

    技术人员克服了工艺状态不稳定,结构复杂,精度要求极高的困难,攻克了解锁机构等难关,弥补了我国在这一领域的技术空白。

    “长征二号F”火箭的栅格翼是保证逃逸飞行器静稳定性的特殊装置,当逃逸飞行器在39公里高度以下的大气层中出现应急情况启动逃逸系统时,为了保证逃逸飞行器的气动稳定性,需要靠四块展开的栅格翼将逃逸飞行器气动质心后移,以实现稳定飞行,因而,栅格翼是决定逃逸成功方案的关键因素之一。

    栅格翼是一个高效的气动部件,呈网格状,由若干相隔一定间距,且成直角交叉的翼片组成。火箭正常飞行状态下,栅格翼收靠在整流罩周围,一旦逃逸,四块栅格翼与整流罩的连接爆炸螺栓就会起爆解锁,栅格翼迅速展开。这时,栅格翼要同时承受发动机喷流,即我们看得见的发动机尾部喷出的火焰的加热和冲刷,这股火焰是绝对不能喷到火箭上的,因此,在设计上尽量将栅格翼的位置与喷流错开,还要给栅格翼涂防热层、防烧蚀层,使其不会熔化。

    栅格翼的翼片材料很薄,焊缝加起来长达150多米,它们交叉焊接组成方格,加工难度很大。焊缝数量多,每个方格又很小,焊接时手伸进去都难,加上热胀冷缩,极易产生变形或造成超差。因而传统手工氩弧焊已经不适用栅格翼的焊接,而必须采用新技术进行。

    零高度逃逸飞行试验是模拟运载火箭在发射台上出现故障时的逃逸飞行试验,通过试验检验了零高度状态逃逸系统飞行器的气动特性、逃逸救生系统的救生指标、逃逸飞行器迅速脱离危险区的能力、逃逸程序的合理性、栅格翼释放机构的工作能力等。为研制火箭统一系统的设计和功能,1998年10月19日上午9点,我国进行了“长征二号F”逃逸装置的零高度飞行试验。随着指挥员一声令下,火箭逃逸飞行器腾空而起,尾部的低空逃逸发动机4个喷管与分离发动机的8个喷管在不同的部位喷射出耀眼而奇丽的火焰。飞行到1.9公里高空时,飞船返回舱与逃逸飞行器分离,降落伞开伞,试验取得的圆满成功,证明火箭逃逸救生系统设计满足飞行要求。

    我国载人航天工程刚刚开始,在今后的历程里,我国还要实现载人航天第二步、第三步发展战略,“长征二号F”火箭将承担着更为重要的使命。

 
  
  
  
  
 
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