“問天實驗艙”發(fā)射任務(wù)是我國

首次進行大推力火箭“零窗口”發(fā)射

【資料圖】

這個“零窗口”發(fā)射有多難？

長五B如何應(yīng)對“零窗口”發(fā)射挑戰(zhàn)？

↓↓↓

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心總工程師 鐘文安：發(fā)射時刻不能超過1秒，我們還制定了一千多個預(yù)案。

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心副主任 毛萬標(biāo)：最大的挑戰(zhàn)就是“零窗口”發(fā)射，技術(shù)的復(fù)雜性和難度以及應(yīng)急處置可能帶來的風(fēng)險都非常巨大。

航天科技集團一院長征五號運載火箭副總設(shè)計師 黃兵：你稍微偏一點可能就對后面的交會對接形成很大的一個壓力。

揭秘中國空間站故事

“問天”實驗艙將于近期在海南文昌航天發(fā)射場實施發(fā)射。這是一次“零窗口”發(fā)射，這也是我國空間站的第二個艙段。今天的《時空觀察》我們就要開始為您揭秘中國空間站的故事。

中國空間站的故事是從“三步走”戰(zhàn)略開始的：

第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實驗。

第二步，突破航天員出艙活動技術(shù)、空間飛行器交會對接技術(shù)、發(fā)射空間實驗室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題。

第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長期有人照料的空間應(yīng)用問題。這就是中國空間站故事的起點。

載人航天“三步走”年底完成空間站建設(shè)

“三步走”中的“前兩步”均已實現(xiàn)。今年年底，中國載人航天工程將完成第三步：中國空間站的建設(shè)，這意味著“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略全部完成。從今天開始，《時空觀察》推出系列報道《中國空間站故事》，揭秘在中國空間站建造過程中，中國航天人攻堅克難，鮮為人知的創(chuàng)新故事。

2020年5月5日，長征五號B運載火箭首飛成功，正式拉開我國載人航天工程“第三步”任務(wù)的序幕?！吨袊臻g站故事》系列報道的開篇就要從長征五號B說起。

將執(zhí)行“問天實驗艙”發(fā)射任務(wù)

目前，正在太空運行的空間站天和核心艙已經(jīng)迎來了三批航天員。此次執(zhí)行“問天”實驗艙發(fā)射任務(wù)的，依然是我國空間站艙段的專用座駕——長征五號B運載火箭。

我國首次進行大推力火箭“零窗口”發(fā)射

“問天實驗艙”發(fā)射任務(wù)，是我國首次進行大推力火箭“零窗口”發(fā)射，剛才短片中大家看到的，就是此次發(fā)射任務(wù)的主要負責(zé)人，他們心中的擔(dān)心，這也引出了今天《時空觀察》的三個問題。

“零窗口”發(fā)射有多難？

如何應(yīng)對“零窗口”挑戰(zhàn)？

推力大 入軌難 高精度入軌難題如何解？

下面就讓我們走近中國文昌航天發(fā)射場，去了解高精度發(fā)射背后的精心準(zhǔn)備，一起看看“零窗口”發(fā)射有多難↓↓↓

海南文昌：精心準(zhǔn)備 確保“零窗口”發(fā)射

走進文昌航天發(fā)射場，垂直總裝測試廠房、指揮控制大樓、測控點號……處處可見航天工作者們忙碌身影，為了實現(xiàn)“零窗口”的高精度發(fā)射，他們精心準(zhǔn)備、精心組織、精心實施，確保分秒不差順利點火發(fā)射。

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心總工程師 鐘文安：此次發(fā)射是長5B火箭首次執(zhí)行交會對接任務(wù)，與核心艙交會對接需要零秒發(fā)射，發(fā)射時刻不能超過1秒。為提高射前應(yīng)急處置能力，我們還制定了一千多個預(yù)案，全部進行了驗證和演練，確保遇事沉著有預(yù)案。

為了瞄準(zhǔn)“零窗口”順利發(fā)射，他們科學(xué)統(tǒng)籌各方力量，按計劃完成了一號塔架射后恢復(fù)、產(chǎn)品進場、垂直總裝和技術(shù)區(qū)測試等工作。

問天實驗艙任務(wù)01指揮員 廖國瑞：著重加大實裝操作、合成訓(xùn)練、故障排查、應(yīng)急處置等訓(xùn)練力度，有效提升人員遂行任務(wù)能力，確保任務(wù)狀態(tài)受控、節(jié)點受控，確保發(fā)射任務(wù)圓滿成功。

長征五號B運載火箭：空間站專用座駕 我國最強低軌運載火箭

即將執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的長征五號B火箭，是目前我國運載能力最強的火箭，距離地面200到400公里低軌道的運載能力達到25噸。此次是長征五號B運載火箭執(zhí)行的第三次發(fā)射任務(wù)。2020年5月5日，長征五號B首飛，將我國新一代載人飛船試驗船成功送入預(yù)定軌道。2021年4月29日，長征五號B遙二運載火箭成功將空間站天和核心艙送入預(yù)定軌道，中國空間站在軌組裝建造全面展開。經(jīng)歷了兩次重大任務(wù)的洗禮與考驗，此次長征五號B又將把我國空間站的第二個艙段——問天實驗艙送入太空。

作為我國運載能力最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的大型低溫運載火箭，由它實現(xiàn)“零窗口”發(fā)射有多難？長五B如何應(yīng)對“零窗口”挑戰(zhàn)？

挑戰(zhàn)首次“零窗口”發(fā)射 經(jīng)歷什么？

此前，我國的長征二號F、長征七號火箭已經(jīng)執(zhí)行過多次“零窗口”發(fā)射任務(wù)，可以說是駕輕就熟。然而對于長征五號B這個大塊頭來說，這還是第一次。

西昌衛(wèi)星發(fā)射中心副主任 毛萬標(biāo)：這次任務(wù)問天實驗艙是要和天和核心艙進行對接的，所以說它對發(fā)射的時間有非常嚴(yán)格的要求，主要是因為交會對接的一些需要。那么這次我們最大的挑戰(zhàn)是“零窗口”發(fā)射。技術(shù)的復(fù)雜性和難度以及應(yīng)急處置可能帶來的風(fēng)險都非常巨大，這對我們提出了很大的挑戰(zhàn)。

此次長五B火箭將要發(fā)射的“問天”實驗艙是全世界現(xiàn)役在軌最重的單體航天器。為了發(fā)射它，長征五號B配備了兩臺50噸級的氫氧發(fā)動機和8臺120噸級的液氧煤油發(fā)動機，這些發(fā)動機能夠為火箭提供超過1000噸的起飛推力。要將問天實驗艙準(zhǔn)時送到指定的軌道位置上，首先需要為它設(shè)計一條飛行彈道。

航天科技集團一院總體部火箭彈道設(shè)計組組長 劉銀：火箭彈道設(shè)計，就是說我把火箭用一種最優(yōu)路徑，能把有效載荷能送入到它所預(yù)想的那條軌道上去，來滿足它的整個空間軌道要求。

給長五B火箭設(shè)計的這條彈道，是一條最理想的飛行路線，燃料消耗最少，入軌精度最高。然而，想要完美實現(xiàn)這條“理想”彈道，卻存在大量難題。

首先，交會對接任務(wù)就像移動打靶，太空里的軌道位置已經(jīng)確定，但是地球在不停地自轉(zhuǎn)，火箭的位置也在不停地發(fā)生變化。經(jīng)過嚴(yán)密計算，只有在某一時刻發(fā)射升空，火箭才能按照這條“最優(yōu)路徑”飛行，實現(xiàn)高精度的“移動打靶”。這就意味著發(fā)射前的準(zhǔn)備流程就必須得分毫不差。對于長征五號B這款可以說是系統(tǒng)最為復(fù)雜的火箭來說，難度可想而知。

航天科技集團一院長征五號運載火箭副總設(shè)計師 黃兵：因為它的低溫推進劑的使用比較大，氫氧（推進劑）的規(guī)模比較大，那么這種深低溫推進劑的使用往往是我們系統(tǒng)里面最擔(dān)心的一個事情，也是引發(fā)故障概率比較大的一個地方。

讓黃兵最擔(dān)心的，就是火箭所使用的低溫推進劑。長征五號B使用的推進劑，主要是由零下253度的液氫和零下183度的液氧組成。盡管海南文昌發(fā)射場天氣炎熱，但在以往的發(fā)射任務(wù)中，在發(fā)射塔架和火箭之間的管路和鏈接器上，會出現(xiàn)一層厚達2到3厘米的冰將它們牢牢凍住。按照發(fā)射流程，這些管路和連接器只能在火箭點火前幾分鐘時才可以脫落。萬一被凍得太死，那就意味著連接器無法準(zhǔn)時脫落，“零窗口”發(fā)射就無法實現(xiàn)。

航天科技集團一院長征五號系列火箭控制系統(tǒng)設(shè)計師 王聰：上一發(fā)（長五B）遙二的時候，我們的送氫的管子它凍住了，不脫落，瞬間沒有脫落，我們就再發(fā)脫的指令，再嘗試脫落，于是它又脫下來了，這個時候其實它都有時間的損失了。

為了徹底解決這個問題，研制團隊通過對多種方案、上百次試驗驗證，通過改變破冰方式，減小了連接器的解脫阻力，大大提升了低溫連接器脫落可靠性。然而，即便是射前工作全部準(zhǔn)備到位，火箭能夠準(zhǔn)時點火發(fā)射，但是想要精確入軌，卻也依然困難重重。

航天科技集團一院總體部火箭彈道設(shè)計組副組長 張志國：火箭發(fā)射衛(wèi)星如果入軌的話，首先要達到第一宇宙速度，要到7公里（每秒）以上的一個速度的量級。如果這么高的速度的情況下，可能你的任何一個微小的偏差都會造成你的位置很大的一個偏差。

推力大 入軌難 高精度入軌難題如何解？

在航天發(fā)射中，任何一個小的干擾，都會帶來巨大影響，地面差之毫厘，太空失之千里。長征五號B作為我國運載能力最強的火箭，采用了我國自主研制的大推力氫氧發(fā)動機。然而，正是因為發(fā)動機的推力大，給長五B的高精度入軌帶來了新的難題。推力大入軌難，高精度入軌難題如何解呢？

航天科技集團一院長征五號運載火箭副總設(shè)計師 黃兵：這么大推力的一個發(fā)動機，完成關(guān)機點火，還要把它準(zhǔn)確放到你想要的那個位置上，而且你稍微偏一點可能就對后面的交會對接就形成很大的一個壓力，那么實際上怎么來控制？這是一個非常大的難點。

長五B火箭在與問天實驗艙分離前，需要不斷調(diào)整自己的姿態(tài)，來保證實驗艙能夠準(zhǔn)確朝著目標(biāo)軌道飛行。正是由于發(fā)動機推力太大，讓火箭的姿態(tài)控制變得更為困難。

航天科技集團一院長征五號B火箭姿控系統(tǒng)副主任設(shè)計師 張宇：比如說像其他的火箭，我們末級會有那種小的姿控噴管，它的推力很小，用推力很小的東西來控制姿態(tài)，精度就會很高。你用一個很大的東西來控制它的時候，這個可以想象精度就沒有那么高，難度就出來了。

要解決這個問題，就必須精準(zhǔn)掌握發(fā)動機的狀態(tài)。為此，研制團隊進行了大量的地面試驗和仿真驗證，并對此前的歷史發(fā)射數(shù)據(jù)進行比對分析，最終得出了發(fā)動機姿態(tài)控制的最佳方案。

航天科技集團一院長征五號B火箭姿控系統(tǒng)副主任設(shè)計師 張宇：發(fā)動機關(guān)機到空間站（實驗艙）的分離，我們還有5秒多的時間，我們實時測得它的姿態(tài)，對參數(shù)進行了一個特別細微的調(diào)整，來進行最后的偏差控制，提高分離時候的姿態(tài)精度。

解決了姿態(tài)控制問題，并不代表著萬事大吉?；鸺c實驗艙何時分離，也是另一個棘手的問題?；鸺谧詈箅A段的飛行速度大約是每秒7.8公里，這也就意味著，晚一秒分離，實驗艙就將多飛出7.8公里，精確入軌的目標(biāo)就將化為泡影。因此，分離的時機就必須把握在毫秒之間。

航天科技集團一院長征五號系列火箭控制系統(tǒng)設(shè)計師 王聰：每一秒它就會走7800米，每一毫秒就七八米。你要入軌，它是對速度位置是有一個嚴(yán)格的要求的。發(fā)出這個關(guān)機的指令要準(zhǔn)確，本來20毫秒控制一次，在那就變成一毫秒控制一次。

科研人員為火箭設(shè)計的控制系統(tǒng)，在最后關(guān)頭，能夠自主檢測箭體每一毫秒的速度和位置變化，在最佳時機的千分之一秒內(nèi)發(fā)出關(guān)機指令，從而使火箭與問天實驗艙完美分離。

航天科技集團一院長征五號運載火箭副總設(shè)計師 黃兵：實際上在我們的長五B遙一的發(fā)射上都已經(jīng)得到了驗證，對整個的分離過程和入軌的一個精度都是滿足我們的要求。

7月20日，長征五號B遙三運載火箭迎來了它發(fā)射前的最后一次模擬發(fā)射演練，密集的口令在測控大廳里此起彼伏。

航天科技集團一院長征五號B火箭副主任設(shè)計師 劉秉：整個過程大概有400個左右的口令，火箭準(zhǔn)備狀態(tài)良好，通過今天最后一次全系統(tǒng)合練，檢驗了火箭在發(fā)射區(qū)的待發(fā)狀態(tài)，都是滿足任務(wù)要求的。

“零窗口”發(fā)射背后

就在昨天（7月22日），問天實驗艙完成發(fā)射前全區(qū)合練。目前，各系統(tǒng)已經(jīng)做好了發(fā)射前的準(zhǔn)備工作。不斷突破，勇于創(chuàng)新。在長征五號B運載火箭的研制過程中，中國航天人還突破了大直徑艙箭分離、大推力直接入軌等一系列新技術(shù)，使得長征五號B火箭的入軌精度達到米級，從而保證問天實驗艙能夠準(zhǔn)時準(zhǔn)點抵達目標(biāo)軌道，與空間站核心艙順利完成交會對接。

標(biāo)簽： 中國空間站