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长征五号首发成功 “大块头”拥有三大技术亮点

2016-11-04 15:16 网络 TF005

2016年11月4日讯,记者从国防科工局、国家航天局获悉,昨日20时43分,我国最大推力新一代运载火箭长征五号,在中国文昌航天发射场点火升空,约30分钟后,载荷组合体与火箭成功分离,进入预定轨道,长征五号运载火箭首次发射任务取得圆满成功。此次发射成功,标志着我国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,是由航天大国迈向航天强国的关键一步。

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昨日20时43分,我国最大推力新一代运载火箭长征五号

长征五号是无毒无污染绿色环保型新一代运载火箭的基本型,火箭采用5米直径芯级,捆绑4枚3.35米直径助推器,全长约57米,起飞重量约870吨,起飞推力超过1000吨。长征五号首次采用芯一级2台50吨级氢氧发动机与4枚助推器各2台120吨级液氧煤油发动机的组合起飞方案,10台发动机同时点火,实现了我国异型发动机起飞技术的重大突破。

长征五号运载火箭工程实现了我国液体运载火箭直径由3.35米至5米的跨越,填补了我国大推力无毒无污染液体火箭发动机的空白,代表了我国运载火箭科技创新的最高水平,为我国新一代运载火箭系列化、型谱化发展奠定了坚实的技术基础,是实现未来探月工程三期、载人空间站、首次火星探测任务等国家重大科技专项和重大工程的重要基础和前提保障。

长征五号运载火箭工程于2006年经国务院批准立项研制,由国家国防科技工业局牵头组织实施,中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制。遵循“发展航天、运载先行”,“运载发展、动力先行”的理念,2000年,我国先行启动了120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氢液氧发动机研制攻关,其科研成果直接转化支撑了长征六号、长征七号等新型运载火箭研制并首飞成功。

此次长征五号运载火箭搭载的是由远征二号上面级和实践十七号卫星组成的载荷组合体。远征二号上面级是我国目前规模最大、变轨能力最强的液体动力上面级,与长征五号运载火箭组合使用后,可有效提升一箭多星发射并直接入轨的能力,进一步提高长征五号运载火箭发射任务适用性和使用灵活性。实践十七号卫星是由中国航天科技集团公司所属中国空间技术研究院抓总研制的地球同步轨道新技术验证卫星。卫星入轨后,中国卫通集团有限公司将开展地球同步轨道通信广播业务,并择机开展空间碎片观测、新型电源、电推进等多项新技术验证工作。

长征五号运载火箭在首次使用的中国文昌航天发射场1号工位成功实施发射。文昌发射场是我国第一个滨海航天发射场,具有纬度低、发射效率高、射向宽、运输便捷等优势,能够满足新一代运载火箭和新型航天器发射任务需求。长征五号运载火箭飞行控制中心由西安卫星测控中心承担,全程负责对火箭基础级、上面级进行跟踪测量,以及载荷在轨测试和长期管理。

据悉,这是长征系列运载火箭的第238次发射。

发射·现场

两度推迟 一飞冲天

“五号火箭,四大系统,三堂会审,两次推迟,一飞冲天。”一位航天工作者如此表述长征五号的发射过程。虽然过程曲折,但最终被大家昵称为“胖五”的长五大火箭还是圆满完成了发射任务。

从文昌城向东约1个小时的车程,便是文昌航天发射场旁的铜鼓岭测控站。昨天下午2时,记者走进测控站,一块巨石上镌刻着“牧箭逐星”四字,仿佛是与海相依的航天工作者们心底的誓言。此时,距长征五号运载火箭预计升空的时刻还有4个多小时。在这座孤悬荒岭,三面环海的测控站里,一片广阔的平台与发射场隔海相望。天空零零星星飘着小雨,海上更是云烟缭绕,距海岸线仅800多米的长五、长七两个高大的发射塔架就朦胧地矗立在7公里外的彼岸。此刻骇浪击石,茫茫海水如同擂响战鼓,仿佛预示着这桩航天盛事即将拉开序幕。

然而,经过近6个小时的等待,“长五”还未升空。这让等在测控站平台上的记者们一度感到揪心,“或许这与雨雾蒙蒙的天气有关?”有人猜测。微博上,“大火箭”每一次准备工作都会引发网民围观,“是打开发射架了么?”“是马上要发射了么?”评论不断刷屏。而长五大火箭却格外耐得住性子,稳稳坐在发射平台上。

晚8时43分,随着倒计时的开始,静候多时的一刻终于到来了。长征五号拔地而起,呼啸着划破寂静的夜空。如同一轮巨大的红日,瞬间照亮了漆黑无垠的海面。粼粼波光映照着火箭的身影,傲然直冲云霄,转瞬消失在低垂厚重的云层间。这时,巨大的轰鸣声愈行愈近,如同春天的惊雷乍动,摇撼在海面山间,持续了数十秒才渐渐远去。

而为何长五要在窗口期最后时刻发射?发射前一刻发生了什么?成了人们心中的疑惑。国防科工局系统工程司副司长赵坚称,发射前发现一级助推器氧排气的管道出现问题,经过判断不影响发射;第二个问题是一级芯级的氢氧发动机在遇冷过程中出现意外,温度降不下来,窗口时间有限,“但科技人员非常镇定,最终解决问题,后延发射成功。”(本报特派记者 孙乐琪)

发射·揭秘

“大火箭”需要“大座驾”

随着长征五号运载火箭发射准备的进展,有着“大火箭”座驾之称的活动发射平台也在首飞任务中亮相。记者从航天科技集团了解到,这套活动发射平台创下了三个国内之“最”。

●规模最大

在“大火箭”活动发射平台建成之前,长二F火箭的发射平台为国内最大的发射平台,长24米多、宽22米,高8米多,能够适应最大直径为3.35米的芯级箭体。而航天科技集团火箭技术研究院新研制的“大火箭”活动发射平台高近70米,相当于24层楼的高度;台体的上表面面积达600多平方米,相当于一个半篮球场,整个平台自重近2000吨。

“大火箭”活动发射平台是目前我国规模最大、承载能力最强、系统最复杂、技术最先进的发射平台。

●集成度最高

天气好时,在发射中心就可以看到“大火箭”活动发射平台,脐带塔笔直地伫立在台体上,这在以往的火箭发射平台上是看不到的,同时活动发射平台还少了供电车辆。

“大火箭”活动发射平台上集成了机械、电控、液压、供配电、驱动控制、空调、环境保障、环境监测、视频监视、照明、加注、供气等系统于一体,而且首次设置了脐带塔、摆杆、牵制设备工作间、尾端服务塔、加注管路、供气管路、喷水管路等多项设备,是机电液气一体化大型综合性发射平台。

将原来发射塔上的上百台地面设备集成在发射台上,有什么好处呢?原来更多的测试工作、连接工作,都是在固定塔上完成,现在,火箭的总装、测试、跟地面设备的接口关系,都可以在技术厂房完成。这样在运输过程中就能保持接口不变、状态不变,可以直接运输到固定塔。科研人员的目标是三四天就完成发射准备任务。如此一来,火箭在发射塔的准备流程可以成倍缩短。

●技术最先进

在“大火箭”活动发射平台的上表面,有12根像柱子一样的支撑装置,这是火箭在发射台上的“座椅”,火箭可以“坐”得又直又稳,这不仅让火箭受力较好,而且有利于火箭的瞄准和发射。

一般的火箭都是4个点支撑,但是“大火箭”的体积远远大于以往火箭,需要增加支撑点。研制人员用了3年多的时间研制出了“十二点调平技术”。这项技术完全是自动控制的,操作人员只要一按键,几分钟就可使“大火箭”实现自动调平,安坐在发射台上。在活动发射平台上,像这样的新技术还有十几项。(本报特派记者 孙乐琪)

“大块头”拥有三大技术亮点

长征五号运载火箭将承担探月工程三期、载人空间站、首次火星探测等多个国家重大科技工程发射任务,是长征系列火箭家族的重量级成员。火箭研制单位航天科技集团介绍,长征五号是我国研制规模和技术跨度最大的航天运输系统工程,是一型绿色环保无污染的全新火箭。长征五号是我国身长最高、体积最大的火箭,也是运载能力最强的火箭。除了这些令人震撼的“之最”,长征五号在技术细节上,也有很多亮点。

1 超低温“冰箭”为什么不冷?

长征五号运载火箭也称“冰箭”,因为火箭肚子里装了满满的深低温液氢液氧燃料,其中液氢温度达-253摄氏度、液氧达-183摄氏度,几乎达到了温度的极限。这么低的温度,如何保证火箭内部的仪器、设备、电缆等正常工作?原来,火箭的贮箱外穿着一层“防寒服”。

“防寒服”一共不到30毫米,却是给火箭保持体温的利器。“防寒服”保温的核心是“棉花”层,是低密度材料,10至20毫米厚;“里”是一层胶粘剂,不到1毫米厚,比“棉花”层更适应金属材料的热胀冷缩,且摩擦力大,能同时与金属材料的贮箱和“棉花”完美贴合,设计人员又叫它“缓冲层”;“面”是一层蘸胶玻璃纤维织物,0.9毫米厚,也叫保护层,可以保护“棉花”不吸收外界水气、不被损坏,更好地发挥隔温性能。

“棉花”层全称“低密度全闭孔泡沫塑料绝热层”,氢箱外表的“棉花”层厚20毫米,氧箱外表的“棉花”层厚10毫米。这种“棉花”层由近10种原材料按照配比高速撞击混合反应而成,从液态原材料发生撞击到固化成型只需10多秒。

航天科技集团703所防隔热材料设计师申雄刚介绍,这近十种材料分成两组,都是液体,就像“哥俩好”胶水一样,一旦混合,会在10秒钟之内发生发泡反应、固化成型。“长五”火箭的“棉花”层与其他火箭不同,选用了新型发泡材料,材料的比例等也变了。

火箭贮箱表面有一些螺钉、口盖等,按设计要求,这些突起等部位的绝热材料要与其他部位同等厚度,这如何实现?703所打造的“试衣间”解决了这个问题。

“试衣间”是个全密闭式温湿度可调节操作室,里面有喷涂设备、仿形加工设备等。火箭贮箱进入“试衣间”后,激光传感器先给贮箱做一次型面测量,再通过计算机造型,就像给贮箱拍了一张3D照片。

据此,在电脑中输入喷涂路径等参数,连接电脑的机械臂便开始运转,在机械臂末端的喷枪里有个碰撞混合腔,两组材料在这里充分混合之后,就被喷涂在贮箱胶粘剂表面固化成型。此时的绝热材料只是毛坯,还要修成厚度一致的平整外观,才能在外面铺蘸胶玻璃纤维织物。

2 “薄如蝉翼”为何坚不可摧?

长征五号运载火箭是个庞然大物,人称“胖五”,高数十米,重几十吨,大家会觉得,火箭外壳肯定特别厚重,才能足够坚固。其实,火箭壳体蒙皮厚度在1.2毫米至2毫米之间,而整流罩的蒙皮厚度仅有0.3毫米,堪称“薄如蝉翼”。尽管薄,却坚不可摧,这如何做到?

火箭蒙皮的主要材料为铝合金,强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低。人们形容火箭是“薄皮大馅”,蒙皮薄了,就可以装更多的燃料,“举”起更重的卫星。为了保证火箭坚固,航天科技集团一院的设计人员在设计时,会在蒙皮内部用一个个框环和桁条组成一个圆柱形的框架,把框架与蒙皮铆接在一起,这就组成了火箭的一个壳段。一院火箭箭体结构设计师邵英翠介绍:蒙皮很薄、很软,但根据受力分析进行科学计算、结构优化后,用铆钉把蒙皮和框架固定,每一壳段有上千个铆钉,这样就保证了整体结构的强度和刚度。

随着技术不断进步,设计人员计算得也越来越精确,火箭结构也越来越优化,蒙皮的厚度也随之变得越来越薄。邵英翠说:“以长五火箭为例,火箭整流罩的蒙皮面板厚度只有0.3毫米,在相同刚度下,火箭壳段的重量将减少10%以上。”

3 整流罩咋成了“全景天窗”?

在役火箭的整流罩都是“三明治”结构,上下两层金属铝板,中间夹层是蜂窝结构,这使得内部的卫星信号受到“屏蔽”,因此必须在整流罩上“开天窗”、“打补丁”。

记者从航天科技集团中国运载火箭技术研究院了解到,长征五号火箭整流罩创新性采用全透波结构,把原来的“小补丁”扩充成整个整流罩,就像给卫星信号开了“全景天窗”。

长征五号火箭结构设计副主任设计师戴政告诉记者,长征五号火箭整流罩直径5.2米,透波材料的泡沫层厚度只有近30毫米,全整流罩厚度必须控制精准,才能保证结构稳定性和可靠性。这给生产带来了大难题。戴政打了个比方,泡沫结构要在两个模具中填充成型,生产时,就好比要在两个摞起来的大勺子中填充奶油,要保证奶油厚度一致,两个勺子的间距控制必须精准,否则成型后的产品就不合格,为此,生产车间进行了几个月的攻关才完成生产,这也换来了卫星的高质量通讯。

戴政说:“卫星不同,为了保证通讯在整流罩上开天窗的位置、结构就不同,没有通用性。现在做成‘全景天窗’,不用考虑开天窗问题,通用性强,后续设计和生产效率都将得到提高。”

 

来源:北京晚报 北晚新视觉网  记者 孙乐琪 文昌报道

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