淺談長征七號讓長征火箭實(shí)現(xiàn)脫胎換骨論文
“點(diǎn)火!起飛!”伴隨著振聾發(fā)聵的轟鳴聲，2016年6月25日晚上8時(shí)，海南文昌航天發(fā)射場，我國全新研制的長征七號運(yùn)載火箭劃破天際，沖向云霄。約603秒后，載荷組合體與火箭成功分離，進(jìn)入近地點(diǎn)200千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)394千米的橢圓軌道，長征七號運(yùn)載火箭首次發(fā)射圓滿成功。
長征七號運(yùn)載火箭首飛，是載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室飛行任務(wù)的開局之戰(zhàn)，實(shí)現(xiàn)了“成功首飛”的預(yù)定目標(biāo)，為后續(xù)任務(wù)打下了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。此次發(fā)射，旨在驗(yàn)證長征七號運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)正確性和各項(xiàng)性能指標(biāo)，考核海南文昌航天發(fā)射場系統(tǒng)執(zhí)行任務(wù)能力，檢驗(yàn)工程相關(guān)系統(tǒng)間的協(xié)調(diào)性和匹配性。同時(shí)，長征七號火箭搭載多用途飛船縮比返回艙等載荷，將開展相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)。這是長征系列運(yùn)載火箭的第230次飛行。
新動力讓火箭更“環(huán)�！�
長征七號運(yùn)載火箭為兩級結(jié)構(gòu)，捆綁四枚助推器，全長53.1米，起飛質(zhì)量597噸，近地軌道運(yùn)載能力13.5噸，采用了液氧煤油發(fā)動機(jī)等新技術(shù)，是綠色、無毒、無污染的新一代中型運(yùn)載火箭，將有效提升我國進(jìn)出空間的能力。
長征七號沿用了過去長征火箭家族3.35米直徑的設(shè)計(jì)，既可以滿足海南發(fā)射場發(fā)射要求，同時(shí)也可以通過陸路運(yùn)輸運(yùn)往內(nèi)陸發(fā)射場進(jìn)行發(fā)射，發(fā)射適應(yīng)性更強(qiáng)。
長征七號火箭的外形和我國現(xiàn)有的火箭體型差別不大，但為了儲存更多的燃料，提供更強(qiáng)的動力，它的助推器長約27米，接近現(xiàn)役火箭助推器長度的2倍，而這種改變也需要對火箭的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面的更新。而“長七”火箭又增加了一個(gè)捆綁點(diǎn)，相對現(xiàn)役火箭靜定的捆綁方案，載荷、捆綁裝置等設(shè)計(jì)難度大大增加、可靠性大幅提升。
不同于現(xiàn)役火箭多采用有劇毒的推進(jìn)劑，長征七號火箭采用我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)的兩種新型液氧煤油發(fā)動機(jī)，較常規(guī)推進(jìn)劑比沖提高20%，推力提高了60%，平均成本僅為常規(guī)推進(jìn)劑的十分之一強(qiáng)，不僅秉承了中國航天綠色環(huán)保的發(fā)展理念，順應(yīng)國際潮流，還降低了成本，提高了火箭性能。
由于液氧的溫度達(dá)零下183℃，在研制火箭的試驗(yàn)中，每次低溫燃料加注后，試驗(yàn)現(xiàn)場的發(fā)射塔就像是個(gè)“大冷庫”。雖然看起來是“鋼筋鐵骨”的大個(gè)子，體重幾百噸，但火箭體重的90%甚至更多都是燃料。由于燃料質(zhì)量不能隨意增減，為了帶更多的“乘客”去太空，減輕火箭自重就成了關(guān)鍵。因此，火箭外殼很薄，最薄處僅有0.8毫米，和雞蛋殼差不多，可以說是薄如蟬翼卻力量驚人。
第一枚全數(shù)字火箭
長征七號是首個(gè)揭開神秘面紗的“數(shù)字火箭”，它采用全數(shù)字化手段完成研制，突破了三維協(xié)同設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理及基于三維的流程仿真、飛行綜合性能仿真等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打通了從設(shè)計(jì)到制造的全三維流程�；鸺谌兄屏鞒虥]有一張紙質(zhì)圖紙，航天科技工作者稱火箭設(shè)計(jì)從紙質(zhì)“連環(huán)畫”變成了“3D電影”。
在生產(chǎn)加工階段，火箭實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”加工。原來工藝員加工某金屬零部件，首先要根據(jù)二維圖紙畫出工序草圖、手工編制工藝規(guī)程，然后進(jìn)行車、銑、鏜等系列工序�，F(xiàn)在，從原材料變?yōu)槌善罚恍璋磩訑?shù)控機(jī)床按鈕即可完成，且合格率達(dá)100%，可謂是一鍵定“乾坤”，極大地提升了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。在試驗(yàn)、裝配階段，“數(shù)字火箭”應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，對火箭進(jìn)行虛擬裝配、虛擬試驗(yàn)，真實(shí)模擬火箭實(shí)際裝配和試驗(yàn)環(huán)境，提前預(yù)見可能發(fā)生的問題，確保了火箭試驗(yàn)、裝配“一次成”。
長征七號火箭的首飛成功，代表了我國近60年運(yùn)載火箭研制領(lǐng)域的最高水平，研制能力接近波音、空客和NASA，標(biāo)志著中國新一代運(yùn)載火箭在數(shù)字化設(shè)計(jì)能力上已躋身國際先進(jìn)行列。
新結(jié)構(gòu)給“大腦”帶來全新挑戰(zhàn)
火箭復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，給火箭的“大腦”控制系統(tǒng)也帶來了全新的挑戰(zhàn)。為了更好地控制火箭的飛行過程，將航天器精確送入軌道，長征七號使用新型總線控制，實(shí)現(xiàn)遙、外測一體化設(shè)計(jì)，采用天基測控實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)中繼傳輸，并且按照載人航天標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，控制系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冗余，設(shè)計(jì)可靠性得到大幅提高。
控制系統(tǒng)創(chuàng)新采用了143項(xiàng)智能控制軟件，這是現(xiàn)役火箭軟件使用量的30倍以上，大大提高了控制精確度，在每個(gè)艙段中安裝控制系統(tǒng)，改變了以往集中處理的方式，減輕了控制系統(tǒng)壓力，也標(biāo)志著我國火箭控制系統(tǒng)已向全面數(shù)字化控制模式發(fā)展。長征七號未來成熟后將成為新一代載人火箭，用于發(fā)射新一代載人飛船。
“新三垂模式”讓火箭發(fā)射更簡便
火箭在發(fā)射場進(jìn)行的垂直總裝、垂直測試、垂直轉(zhuǎn)場，被稱為“三垂模式”。
現(xiàn)役火箭中采用的“三垂模式”，其箭地連接工作在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)要進(jìn)行兩次，而長征七號火箭采用的'“新三垂模式”，僅一次對接就可以完成工作，狀態(tài)的一致性更好，且前端地面測發(fā)控設(shè)備在技術(shù)區(qū)進(jìn)行了充分測試，轉(zhuǎn)場中保持箭地之間氣、液、電連接狀態(tài)不變，轉(zhuǎn)至發(fā)射區(qū)以后出現(xiàn)故障的概率更低，有效提高了發(fā)射的可靠性，同時(shí)，發(fā)射區(qū)準(zhǔn)備時(shí)間縮短至2天～3天，降低了火箭轉(zhuǎn)場后遇到惡劣天氣再返回技術(shù)區(qū)的情況發(fā)生。
風(fēng)雨“難阻”發(fā)射
海南發(fā)射場氣候潮濕，降水量大，全年12小時(shí)內(nèi)降水5至15毫米的長征七號部件測試長征七號殼體中雨較多。為此，在火箭研制之初，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就將“防水”工作列為重中之重。例如在部段對接處、細(xì)小的孔徑和縫隙處都要做防水處理;在排氣孔處，實(shí)現(xiàn)排氣防水雙功能并舉;針對低溫液體貯箱加注后無法避免的冷凝水聚集問題，開設(shè)排水孔等。
現(xiàn)役火箭發(fā)射時(shí)都會避開雷雨天，但海南文昌發(fā)射場氣候潮濕，降水量大，因此長征七號采用防水設(shè)計(jì)，就像給火箭穿上了金鐘罩鐵布衫，即使中雨也能發(fā)射。此外，海南文昌發(fā)射場有“淺層風(fēng)”，給長征七號運(yùn)載火箭垂直轉(zhuǎn)場帶來挑戰(zhàn)。設(shè)計(jì)部門給長征七號裝上了“防風(fēng)減載裝置”，即使遇到8級大風(fēng)也不怕。
火箭發(fā)射平臺還要涂覆大面積“防曬霜”——一種特種防護(hù)涂層。這是因?yàn)榛鸺l(fā)射點(diǎn)火的剎那，溫度高達(dá)2800℃，足以熔化絕大多數(shù)金屬和非金屬材料。表面有了防熱涂層，發(fā)射平臺的使用壽命就可以延長，更好地承受強(qiáng)熱流的“沖刷”。
新一代運(yùn)載火箭發(fā)射還有針對強(qiáng)高溫的“雙保險(xiǎn)”。在火箭點(diǎn)火起飛時(shí)，發(fā)射平臺旁的“大流量噴水降溫降噪系統(tǒng)”會給發(fā)射平臺噴水降溫，在20秒內(nèi)噴出400噸水。在噴射的400噸水中，有30%的水會汽化到大氣中，60%的水則通過導(dǎo)流槽流走，水份蒸發(fā)帶走大量的熱，使得發(fā)射平臺核心區(qū)降溫幅度在1000℃左右，有效地保護(hù)了火箭發(fā)射臺內(nèi)部的儀器設(shè)備。此外，該系統(tǒng)還有良好的降低噪音效果。
開啟我國航天任務(wù)的全新階段
新的結(jié)構(gòu)、新的環(huán)境、新的體制、新的測發(fā)、新的動力，代表了先進(jìn)火箭的發(fā)展方向。“長七”火箭作為新一代運(yùn)載火箭中的中型火箭，也將開啟我國航天任務(wù)的全新階段。
長征七號不僅可以滿足我國載人空間站工程發(fā)射貨運(yùn)飛船的需求，而且未來它還將承擔(dān)中國航天多種類型的發(fā)射任務(wù)。長征七號火箭在完成此次首飛任務(wù)之后，未來將承擔(dān)我國首個(gè)空間貨運(yùn)飛船——天舟一號的發(fā)射，為我國長期有人照料的空間站搭建起“天地運(yùn)輸走廊”。
同時(shí)作為我國新一代中型運(yùn)載火箭的基本構(gòu)型，通過改型或與上面級組合，長征七號運(yùn)載能力覆蓋大多數(shù)主流衛(wèi)星所需的運(yùn)載能力，面向主流衛(wèi)星市場，適應(yīng)面更寬，是我國未來航天發(fā)射任務(wù)的“主力軍”，未來將成為在役主力火箭的“接班人”，肩負(fù)著長征火箭技術(shù)進(jìn)步和更新?lián)Q代的歷史重任。
未來：會有更大直徑火箭誕生
中國現(xiàn)役運(yùn)載火箭的直徑，受限于馬屁股的寬度?沒錯(cuò)，這個(gè)有趣的觀點(diǎn)可以追溯到火車和鐵軌的發(fā)明。由于中國的火箭研制地與發(fā)射地有一定距離，大多用火車或者汽車運(yùn)輸，路上難免會通過一些隧道，而隧道的寬度又是由鐵軌間的距離決定的�？紤]到火車晃動、會車等因素，火箭的直徑就更受限制了。
火車軌道的寬度沿用了馬車的輪寬標(biāo)準(zhǔn)，而馬車的輪寬可以一直追溯到羅馬戰(zhàn)車，古羅馬人是按照拉戰(zhàn)車的兩匹馬的屁股寬度設(shè)定的。因此，中國的現(xiàn)役運(yùn)載火箭的最大直徑就“止步”在3.35米。
而海南文昌發(fā)射場啟用后，這個(gè)限制就可以突破了，因?yàn)榛鸺梢酝ㄟ^海運(yùn)，不再受限于隧道的寬度。今年下半年將發(fā)射的中國最大的火箭長征五號的直徑就達(dá)到了5米，未來，中國還會有更大直徑的火箭誕生。
火箭的運(yùn)載能力有多大，中國航天的舞臺就有多大。據(jù)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院介紹，中國目前研制規(guī)模和技術(shù)跨度最大的火箭——長征五號將于今年下半年首飛，具備近地軌道25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道14噸的運(yùn)載能力，與國際上主流運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力相當(dāng)，將承擔(dān)發(fā)射嫦娥五號、空間站核心艙以及火星探測器等具有里程碑意義的重大任務(wù)，將大幅提高中國進(jìn)入太空的能力。
此外，中國15年內(nèi)有望發(fā)射重型運(yùn)載火箭。在目前的設(shè)計(jì)藍(lán)圖中，重型運(yùn)載火箭箭體直徑近10米，全箭總長近百米，運(yùn)載能力是現(xiàn)有火箭運(yùn)載能力的5倍多，超過正在研制的美國下一代運(yùn)載火箭的運(yùn)載能力，可滿足未來載人月球探測、火星取樣返回，太陽系行星探測等多種深空探測任務(wù)需求，保障中國在未來宇宙探索和更大更遠(yuǎn)空間的話語權(quán)。
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