新火箭新“技能”:详解长五B四大“黑科技”

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2020-05-06 02:12

人民网北京5月5日电(赵竹青)5月5日,随着海南文昌航天发射场一道烈焰划过天际,长征五号B遥一运载火箭发射成功,将新一代载人飞船试验船及返回舱试验舱的组合体送入预定轨道。

长征五号B火箭为了当好运送空间站舱段的“专属列车”,其抓总研制单位航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院开展了多项技术攻关和创新,掌握了一批具有自主知识产权的核心技术。

长征五号B运载火箭总指挥王珏表示,作为专门为载人航天工程空间站建设而研制的一型新型运载火箭,长征五号B火箭的首飞成功,标志着空间站工程建设进入了实质阶段。

“黑科技”一:超大整流罩研制

整流罩是运载火箭的重要组成部分,用于保护卫星或其他有效载荷免受气动力、气动加热及声振等有害环境的影响。长征五号B火箭拥有目前我国最长最大的整流罩,整流罩长度达到20.5米、直径5.2米,相当于六层楼的高度,如此宽敞的空间,也是为了发射空间站核心舱和实验舱而量身打造的。

据了解,为了改善气动特性,长征五号B火箭整流罩采用流线型的冯?卡门曲线外形,可以更好的减小空气阻力,减轻载荷影响。冯?卡门曲线是一种非线性曲线,按照冯?卡门曲线制造的整流罩展开之后并不是一个平面,而是立体的,制造难度高于锥形整流罩。

作为我国长度最长、重量最重的整流罩,另一个技术难点在于如何做到安全可靠的分离。经过多方案比较,最终确定了采用旋转式分离方案,通过大量的仿真分析、预示,对整流罩分离方案进行评估,并多次开展了整流罩分离试验,有效验证了设计正确性和各系统接口协调性。

“黑科技”二:验证“零窗口”发射技术

火箭发射窗口是指允许火箭发射的时间范围,一般是根据卫星或飞船入轨要求以及多种限制条件综合权衡后确定的,比如,卫星的轨道精度要求、地球与行星的相对位置要求等等。“零窗口”是指发射时间范围为零的发射窗口,也就是要求火箭必须分秒不差的点火升空,在发射天宫一号及北斗导航卫星时都曾经实施过“零窗口”发射。

作为未来发射空间站核心舱和实验舱的火箭,空间站交会对接任务对长征五号B火箭提出了“零窗口”发射的需求,发射时间精度误差要控制在1秒以内。虽然不是第一型实施“零窗口”发射的火箭,但作为采用液氢、液氧等低温推进剂的“冰箭”,长征五号B火箭的“零窗口”发射有着更高的技术含量和更大的技术难度,也开创了新一代运载火箭“零窗口”发射的先河。

为了做到“零窗口”发射,火箭各系统要确保在点火前一段时间就完成各项准备,以准备好的状态等待点火。由于低温推进剂加注后会不停的“蒸发”消耗,因此,发射准备好的状态并不是越早越好,而是要严格按照时间要求精准的完成,并且充分做好应对各种可能情况的工作预案。作为我国最复杂的运载火箭,长征五号火箭发射前非常“繁忙”,任何一处细微的差错都可能造成发射流程的拖延,进而影响“零窗口”的实现。

长征五号B运载火箭总设计师李东介绍,研制团队从系统发射可靠性提升和发射流程优化两个方面开展了工作。通过开展可靠性试验和分析工作,实现了关键系统可靠性提升;通过射前流程优化,进一步提高了各系统对于“零窗口”发射的适应性。

“黑科技”三:大直径舱箭分离

空间站舱段和长征五号B火箭的连接接口直径超过4米,“乘客”和火箭的分离不是“下车”那么简单,需要考虑可靠性、冲击环境等多个方面的因素,既要确保安全分离,又要尽量将分离过程中出现的冲击环境等不利影响降到最低,形象一点说,要像把婴儿抱出婴儿车那般轻柔、谨慎的完成空间站舱段与火箭的分离。

长征五号B火箭研制团队围绕降低和改善冲击环境开展了专题攻关,对多种降冲击方案进行比较和试验后,采用了“隔冲框+阻尼盒”的降冲击方案,并应用了“颗粒阻尼技术”。

“颗粒阻尼技术”是一种新型振动被动控制技术,通过颗粒体和阻尼器构成一个耦合、封闭的非线性系统,依靠摩擦和非弹性碰撞,迅速地耗散动能,实现减振降噪的效果。经过试验验证,舱箭分离界面的分离得到有效改善,空间站舱段可以在“下车”过程中感受到火箭的“温柔”。

“黑科技”四:大推力直接入轨

作为一级半构型的火箭,长征五号B火箭没有单独的调姿和末速修正系统,而是利用一级火箭直接将有效载荷送入预定轨道。在一级发动机关机时,约140吨的推力在几秒钟之内消失,相当于一辆高速行驶的火车突然“刹车”,还要稳稳停靠在指定位置。

为了满足入轨精度、分离安全等方面的更高要求,研制团队开展了入轨姿态控制、入轨精度控制、分离安全控制等方面的技术攻关。

李东介绍,通过采用姿态控制增益优化和复合制导方法,提高了火箭姿态控制精度,降低了制导误差对精度的影响,使火箭在分离时处于最佳“姿态”和最准位置。同时,设置了2枚离轨火箭,使火箭一级箭体可以及时避开空间站舱段的轨道面,提高了舱箭分离的安全裕度。

由此,长征五号B火箭成为第一型只靠助推及一级飞行就能实现有效载荷精确入轨的火箭。 

(责编:赵竹青、吕骞)

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