天舟四号“快递小哥”赴太空,2022年空间站建造任务首战告捷

5月10日1时56分,由中国航天科技(000901)集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)抓总研制的长征七号遥五运载火箭(简称“长七火箭”),在我国文昌航天发射场准时点火发射,发射取得圆满成功。这是长七火箭与天舟系列货运飞船第四次携手奔赴太空。

2022年是中国载人航天工程(603698)立项实施30周年,也是空间站建造决战决胜之年。根据任务安排,全年共实施六次飞行任务,将通过长征二号F、长征五号B和长征七号三型运载火箭发射空间站问天舱、梦天舱、两艘天舟货运飞船、两艘神舟载人飞船。

天舟四号“快递小哥”赴太空,2022年空间站建造任务首战告捷

长七火箭点火起飞。火箭院供图(吴桐小雨 摄)

作为今年载人航天工程三型火箭六次发射任务的首次发射,也是今年空间站建造阶段的首飞任务,天舟四号“快递小哥”顺利到达预定轨道,正式拉开了2022年我国空间站的建造大幕。

长七火箭首次实现在一个月内完成测试发射

记者从火箭院获悉,为了满足未来空间站运营的需求,火箭系统工作人员对发射前的流程进行了优化,将测发周期减少4天,由原来的31天缩减到27天。这也是长七火箭首次实现在一个月内完成测试、发射。

据了解,本次任务中,火箭共有射前流程优化和可靠性提升等17项技术状态变化。其中包括:在发射日并行加注液氧煤油,减少了射前准备时间、降低了对人员设备气象保障等条件的要求、提高了发射可靠性;合并第一次总检查与真增压匹配测试,确保测试覆盖性的同时,减少重复性测试等。

地面设备恢复是火箭进场的第一项工作,也是正常开展火箭测试的先决条件。“对于多型通用的地面设备来说,保质保量的压缩流程、精简项目是一个统筹规划的事情,要脱离本发任务,与前一发、后一发联动起来,让流程‘活’起来,前期工作做得越充分,进场之后测试任务就开展得越快越好。”火箭院长征七号运载火箭副总设计师范虹说,团队对地面设备恢复阶段的工作进行优化合并后,为地面系统恢复节省测试时间约2.5天。

天舟四号“快递小哥”赴太空,2022年空间站建造任务首战告捷

长七火箭蓄势待发。火箭院供图(吴桐小雨 摄)

同时,火箭产品出箱工作流程也由3天压缩至2天。据长征七号运载火箭总装技术负责人崔蕴介绍,4月10日下午,长七火箭开启产品出箱工作。为了达到优化流程的目标,助推器自检、火箭芯级出箱工作以及整流罩出箱工作,首次在不同工作厂房并行开展。

崔蕴说,团队调度人员提前与各方进行了充分的沟通,在出箱前形成了共识,避免了出箱过程中因协调沟通增加时间,并合理安排一线操作人员,二线人员在做好岗前培训的前提下,,全员上岗支援,做好一线操作人员的辅助工作,将3天工作压缩至2天,全面完成了产品出箱工作。

“在保证测发产品安全、可靠的前提下,缩减发射场测试有效时间,研制团队必须将积累多年的测发经验转换为稳妥、高效的发射流程管控能力。”火箭院长征七号运载火箭结构系统指挥员周宁称,在出发前,研制团队就对发射场工作细则做了多轮更改,综合了设计、工艺、一线工人和操作手的意见,系统整理,多方协同,对每个操作环节的执行时间都进行了梳理,将流程时间误差精确到10分钟以内。

此外,本次发射任务长七火箭进行了液氧煤油并行加注,将发射日12小时流程缩减至8小时。据了解,早在发射队进入发射场的3个多月前,火箭院长七研制团队就开始组织各专业组人员,进行液氧煤油并行加注流程的更改分析,确定并行流程更改的原则,从流程更改方案,到流程更改实施方案,再到发射日预案筹备,进行了全方位的筹备策划。

适应新发射场,长七火箭具备“想打就打”发射能力

长七火箭的总体重为500余吨,箭体外壳、电缆、仪器等加在一起只有50余吨,其余都是液氧煤油推进剂的重量。一般而言,火箭本身的自重越小越好,能提供动力的燃料越多越好。因为这样,就可以把尽可能多的“运量”留给“乘客”。

据火箭院总体部火箭设计专家徐利杰介绍,燃料在火箭整个体重中比重越大,火箭的结构效率越高,说明设计越合理。在设计中,他们把火箭的外壳、电缆、仪器等重量称为“死重”,要把这些部件尽可能设计得简洁、功能强大,以减轻重量。论“力气”,长七火箭近地轨道运载能力达到13.5吨,比采用传统燃料的运载火箭多出一半以上。其中,芯一级和助推器上的6台液氧煤油发动机可提供超过700吨的起飞推力。

天舟四号“快递小哥”赴太空,2022年空间站建造任务首战告捷

位于文昌航天发射场的长七火箭。火箭院供图(吴桐小雨 摄)

为了适应新发射场,发射任务也面临巨大的挑战。海南发射场与内陆发射场最大的不同是湿热多雨、台风频繁的海洋气候,而火箭上的许多精密仪器对外界环境非常敏感。

现役长征火箭发射,选择窗口时都会专门避开雷雨天,而长征七号新一代运载火箭则能在雨中发射,因为考虑到海南发射场气候潮湿,全年降水量大且湿度高。另外,长七火箭的燃料中有液态氧,它的温度是-183℃,因此火箭表面会出现水蒸气凝结的现象。

长七火箭对“水”的防护渗透到了每个设计细节当中,在常规型号中,用来平衡整流罩内外压力的排气孔,在内陆发射时不用做单独的防水,但是在长七火箭的身上,记者了解到,其排气孔也做了专门的防水措施。

相比于内陆戈壁上每秒9米左右的风速,海南文昌发射场的风速经常达到每秒20米。为了保证火箭时刻都站得住、站得稳,设计人员专门为它设计了防风减载装置,可以在8级大风的情况下进行垂直转运,抗风能力为目前长征家族之最。

并且,与以往长征火箭发射前几个小时开始加注不同,长七火箭经过专门设计和演练,它的液氧和煤油推进剂组合虽然属于低温燃料,但是可以安全停放24个小时,这样便可以灵活应对多种发射需求,而且在发射前程序最为复杂的阶段,减少了工作量,可以为成功发射争取更多有利时间,提高可靠性。据了解,长七火箭在研制之初,就把燃料加注后停放24 小时作为一项设计标准纳入了型号研制过程,也因此具备了“想打就打”的发射能力。

长七火箭发射点火的刹那,温度会高达2800℃,和过去主要起支撑作用的钢制发射平台也不同,海南文昌发射场使用的新一代发射平台里面装载着仪器设备,而且也需要多次使用,所以专门采用喷水降温和涂特种防护涂层等方式,使它不怕被高温摧毁。

长七火箭的两件衣服:“厚棉衣”与“防热服”

记者了解到,长七火箭的低温液氧贮箱表面穿着一层厚厚的“棉衣”,主要起到隔绝热传导的作用。穿上“棉衣”之后,贮箱内部能够保持足够的低温环境,使得液氧推进剂不会因温度升高而大量挥发,贮箱外部温度也不会太低,以至于对外部仪器、人员等造成冻伤。

“厚棉衣”的主要组成成分是一种塑料泡沫。在“棉衣”制作过程中,需要使用发泡剂使泡沫膨胀成型。以往国内火箭使用的泡沫发泡剂都是含氟的,对地球的臭氧层造成巨大的危害,但是长七火箭使用了一种新型的无氟发泡剂。

和以往相比,长七火箭液氧贮箱所穿“棉衣”中取消了一层金属铝箔,并实现了自动喷涂泡沫和表面机加的自动化生产。这些改进不仅大大提高了低温液氧贮箱的“棉衣”生产效率,还使“棉衣”更为绿色环保、质地轻盈。

除了“厚棉衣”外,长七火箭还有件“防热服”。

火箭在飞行过程中,芯级发动机会喷射出巨大的火焰,此时,助推器后过渡段要承受喷焰回卷的强热流,其热防护设计如果不够,就会造成结构烧蚀,而过度设计又会影响火箭的运载能力。为此,长七火箭的设计人员创新防热材料应用和安装方式,将像“防热服”一样的特质防热毛毡“披”在火箭助推器上,不仅重量更轻,防热效率也更高。

“如果采用传统方法,在助推器后过渡段喷涂防热涂层,生产周期较长。”火箭院长七火箭结构设计师姚瑞娟介绍,设计团队创新思路,将防热服由“喷”在后过渡段表面改为“披”在身上。

在新的设计思路下,火箭设计人员采用耐高温的材料,给助推器做了一块柔性防热毛毡。它有“里”、有“面”、有夹层,从靠近芯一级的一侧开始“披”上,在远离芯级的外侧开口,就像一件“防热服”一样包裹着助推器,使后过渡段免受大火炙烤。

采用传统的防热方式,在助推器上整体喷涂防热涂层,重量在70公斤至100公斤之间,而新型防热毛毡重量只有20公斤左右,重量减轻约75%,且防热效果更好。柔性防热毛毡已在长七火箭上成功应用,后续还将推广应用于其他型号。

新京报记者 张建林

编辑 张磊 校对 贾宁

(责任编辑:马金露 HF120)

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