從「新」出發,解碼長徵五號B運載火箭的那些新特點新功能

2020-12-13 臺海網

再問蒼穹 從「新」出發

椰風碧海,巨箭聳立;馴火牧天,撼山動地。看!長徵火箭再度出徵,中國航天以奮進的姿態走到一個新的歷史坐標。

這一幕,似曾相識。130多天前,長徵五號遙三運載火箭成功飛天,「胖五」再度叩響太空之門。

這一幕,又倍感新鮮。長徵五號B運載火箭接過「哥哥」長徵五號的「接力棒」,以探索太空的勇者姿態,扶搖直上九天。

這一飛,標誌著中國空間站階段飛行任務首戰告捷;這一飛,拉開了我國載人航天工程「第三步」任務的序幕。這是中國航天的一小步,也是建成未來空間站的一大步。

以文昌發射場為新起點,長徵五號B運載火箭的首飛帶上了「新乘客」——新一代載人飛船試驗船。新的火箭、新的飛船試驗船又有哪些新特點、新功能?請隨記者一道去看一看。

新火箭——

身懷獨門絕技的「大力士」

繼承「哥哥」長徵五號的優秀基因,「弟弟」長徵五號B同樣是地地道道的「大力士」—火箭芯一級直徑為5米,捆綁4個直徑3.35米的助推器,全長約53.7米,起飛質量約849噸,近地軌道運載能力大於22噸。

但仔細比較不難發現,長徵五號B和長徵五號有著諸多不同——

從構型上看,長徵五號B的「骨架」更緊湊了。長徵五號採用兩級半構型,而長徵五號B則首次採用一級半構型。熟悉長徵運載火箭家族的朋友都知道,過去的長徵系列運載火箭都是兩級以上構型,而長徵五號B獨特的一級半構型就是為了練就「一氣呵成」「精準入軌」的絕技。

從外觀上看,長徵五號B的「腦袋」更大了。長徵五號B的超大整流罩長度達20.5米,比長徵五號整流罩長了近8米,是我國目前最大的火箭整流罩。

從用途上看,長徵五號B搭載的「乘客」更特殊了。長徵五號主要用於發射高軌道大型衛星以及各類深空探測器,例如嫦娥五號月球探測器、火星探測器等;長徵五號B則是用於發射近地軌道的大型衛星及飛船,如載人空間站的核心艙等。

從運載能力看,長徵五號B的「肌肉」更發達了。長徵五號地球同步轉移軌道運載能力約為14噸,而長徵五號B近地軌道運載能力大於22噸。

如果僅看兩位「兄弟」的表面差異,那未免太小瞧「弟弟」長徵五號B了。真正讓「弟弟」長徵五號B獨步「箭林」、傲視群雄的,是它那擁有諸多首創、獨特的航天「黑科技」。

先來看看長徵五號B的超大整流罩。這個超大整流罩有6層樓房高,如此寬敞的空間,是發射空間站核心艙和實驗艙獨享的「私人定製」。這頂超級大的「桂冠」,既是長徵五號B的身份標識,也是它的專屬配製。但對研製團隊來說,長徵五號B的超大整流罩可不像是做帽子那樣簡單,加大一下尺碼就可以完成。

為了改善氣動特性,長徵五號B的整流罩採用了馮·卡門曲線外形設計,可以有效減少空氣的阻力和載荷的影響。而要想把這個分量很重的「帽子」在太空中「摘」下來,也不是一件容易事。經過多個方案比較,研製團隊最終採用旋轉式分離方案,攻克這一難題。

長徵五號B沒有單獨的調姿和末速修正系統,而是利用一級半構型火箭直接將有效載荷送入預定軌道。也就是說,從點火到入軌要「一鼓作氣」。這就好比打籃球,原來的多級構型火箭,從發球到投籃,可以經過幾名隊友傳遞配合,一步步完成。但長徵五號B一上場便要投3分球。

如何保證長徵五號B「一投就進」呢?這就需要解決「上得去」和「投得準」的問題。研製團隊充分發揮了液氧煤油發動機大推力、氫氧發動機高比衝的優勢,有效解決了「上得去」的問題;創新運用姿態控制增益優化和複合制導方法,提高火箭姿態控制精度,成功解決了「投得準」的問題。

艙箭分離同樣是一大關鍵技術。空間站艙段和長徵五號B連接接口直徑超過4米,要讓這個重達20多噸的空間站艙段安全順利地「到站下車」絕非易事。這好比在高速行駛的兩輛汽車上傳遞嬰兒,既要確保安全分離、順利交接,又要將過程中出現的碰撞風險降到最低,以免「磕碰」到「嬰兒」。

研製團隊圍繞降低和改善衝擊環境開展了專題攻關,採用「隔衝框+阻尼盒」降衝擊方案,應用顆粒阻尼技術,實現減振降噪,讓空間站艙段在「下車」過程中,不會感到較大顛簸。同時,為了提高艙箭分離後的安全裕度,還增加了2枚離軌火箭,確保分離後火箭一級箭體可以及時避開空間站艙段的軌道面。

可以說,長徵五號B的發射過程看似簡單,其中的技術並不簡單;長徵五號B與長徵五號「長相」相似,卻有著別具一格的硬核功能。(徐 童 解放軍報記者 安普忠)

在文昌航天發射場,長徵五號B運載火箭做相關測試。

新發射場——

駛向太空的中國「母港」

文昌航天發射場,是長徵五號B的起點,也是我國載人航天工程「第三步」任務的起點。

隨著長徵五號B在文昌航天發射場發射成功,這座最年輕、最先進、最生態的航天發射場再次成為人們關注的焦點。

記者從13年前一張泛黃的報紙,追溯到文昌航天發射場誕生的印跡:為了適應我國航天事業可持續發展戰略,滿足新一代無毒、無汙染運載火箭和新型太空飛行器發射任務需求,經國務院、中央軍委批准,我國將在海南省文昌市建設新的航天發射場。

當時,發射場的選址就在文昌市星光村高大茂密的原生態椰林中。從此,星光村與航天發射緊緊地交織在一起。

2016年6月25日,文昌航天發射場完成首次發射任務——長徵七號運載火箭首飛成功,標誌著發射場能力全面形成,向「發射能力強、運載效率優、安全係數高、生態保護好」的建設目標又邁出堅實一步。

2016年11月3日,我國新一代大型運載火箭長徵五號再次從文昌航天發射場首飛成功,實現了我國火箭運載能力由10噸級到20噸級的重大躍升,標誌著我國運載火箭實現升級換代,跨入世界大噸位火箭發射行列,對我國從航天大國邁向航天強國具有裡程碑意義。

長徵五號B的首飛成功,標誌著空間站工程建設進入了實質階段。從此,文昌航天發射場全面進入載人空間站建設、火星探測、月球採樣返回等重大航天工程任務期,必將成為中國空間站的「母港」和補給基地。

在中國航天史的年輪刻度上,1970年是中國航天事業的「元年」。這年4月,我國成功發射了第一顆人造地球衛星——「東方紅一號」。

從第一顆人造衛星順利升空,到長徵五號B首飛成功,中國航天事業走過了50年的「長徵」。50年來,中國航天實現了大推力火箭發射能力的突破、信息化指揮控制能力的突破、生態型環保型集約型發射場建設的突破……

從酒泉到太原,從西昌到文昌,50年來,中國航天發射場形成了沿海內陸、高低維度、各種射向相結合的科學合理、願景宏大的戰略格局,在中國建設航天強國的徵程中發揮重要作用。

自2014年建成以來,文昌航天發射場以緯度最低、射向範圍寬、運載效能高、運輸限制少、落區安全性好等特點,承擔了地球同步軌道衛星、貨運飛船等發射任務。

未來,為適應新的使命任務,文昌航天發射場將廣泛運用人工智慧和自動控制技術,實現設施設備系統現代化和管理能力現代化,具備快速機動發射和重型火箭發射測控能力,中國航天將從這裡向更遠的深空進發。(呂道凱 解放軍報記者 安普忠 特約記者 王玉磊)

新一代載人飛船試驗船。

新飛船試驗船——

天地往返的太空「新巴士」

此次與長徵五號B同行的,還有一款全新的太空「新巴士」——新一代載人飛船試驗船,未來它將承擔運送航天員往返的神聖使命。

與之前神舟系列飛船相比,這輛太空「新巴士」做了全面升級。

「車型」更實用了——

與過去的「三艙機構」設計完全不同,「新巴士」去掉了軌道艙,由返回艙和服務艙兩艙構成。雖然艙的數量做了「減法」,但內部空間反而做了「加法」,大直徑的兩艙設計讓「新巴士」在執行近地軌道任務時可以運送6-7名航天員。同時,返回艙由密封艙和非密封艙組成,密封艙內的空間可根據載人或載貨需求進行靈活配置,賦予了這輛「新巴士」的貨運功能。

內部設計更宜居了——

為了給航天員營造一個溫馨舒適的「乘車環境」,科研人員在艙內裝飾、設備布局、人機互動界面、載人環境等方面進行了全面升級,提升了航天員在天地往返過程中的「乘車體驗」。

飛行「路線」更多樣了——

按照未來載人航天工程任務需要,基於模塊化設計的「新巴士」要滿足近地空間站運營、載人登月、載人深空探測等多任務能力,這就要求「新巴士」的軌道運行「路線」更為靈活。最遠時,它將達到全新的軌道高度。

新的高度帶來了全新挑戰。眾所周知,飛船軌道高度越高,返回地球的速度越快。之前神舟系列飛船從近地軌道返回時,速度為每秒7.9公裡的第一宇宙速度,而「新巴士」最大返回速度接近每秒11.2公裡的第二宇宙速度,這對「新巴士」的防熱性能提出了更高的要求。為此,「新巴士」的返回艙首次採用新型輕質、耐燒蝕的碳基防熱材料,耐熱能力得到有效提升。

綜合性能更強了——

「新巴士」採用太陽電池翼發電、鋰電池儲能的光伏供電系統。其中,中國電子科技集團為「新巴士」量身定製的「超大超能」太陽電池陣,是我國目前LEO軌道發電面積最大的三結砷化鎵剛性太陽電池陣。

除此之外,「新巴士」還擁有單組元無毒發動機、高轉換效率太陽電池、TTE高速通信網、分布式一體化電子系統、多終端綜合人機互動系統等一系列「黑科技」產品,使「新巴士」綜合性能得到全面躍升。

使用更「環保」了——

性能強大的同時,「新巴士」還格外「節能環保」,這得益於它的可重複天地往返運輸飛行器設計技術。「新巴士」的兩艙設計,可以將大部分有價值的設備集中放置在返回艙。這樣一來,當返回艙返回地球後,飛船上大部分設備可以重複使用。同時,「金屬結構+防熱結構」的錐形設計和單組元無毒推進系統,大大提高了飛船安全返回和重複使用性能,大幅降低飛行運營成本,走出了一條低成本、高效益的特色發展道路。

安全係數更高了——

「新巴士」採用基於風險分析評估的系統設計技術,消除平臺關鍵功能的系統單點,全面提升了系統可靠性和安全性,具備全任務階段自主應急救生能力。

每一次出徵都是新的跨越:「神五」1人1天,「神六」2人5天,「神七」3人3天,「神九」3人13天,「神十」3人15天,「神十一」2人33天。隨著新一代載人飛船試驗船投入使用,相信未來我國載人航天工程將會續寫新的輝煌。

(解放軍報記者 譚靚青照片提供:史 嘯、石 峰)

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