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技术|揭秘空间站舱段“专属座驾”

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技术|揭秘空间站舱段“专属座驾”
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位于发射区的空间站天和核心舱与长征五号B遥二运载火箭组合体 。 中国运载火箭技术研究院供图
4月29日 ， 由航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制的长征五号B遥二运载火箭（下称“长五B”）在海南文昌发射场点火升空 ， 将天和核心舱送入预定轨道 ， 这是长五B运载火箭首次执行应用性发射任务 。 此次发射空间站天和核心舱 ， 身为“专属座驾”的长五B火箭有五大“黑科技”值得关注 。
黑科技之一：一级半直接入轨
长五B不仅运载能力出色 ， 而且还是目前世界上唯一可以直接入轨的火箭 。
一般而言 ， 发射低轨任务都需要两级半火箭接力工作 ， 一级扔掉之后 ， 二级再接力工作才能把它送到轨道上去 。 然而 ， 长五B运载火箭通过采用全新构型设计 ， 实现了一级半就能直接进入预定轨道的世界航天难题 。
“很大程度上取决于氢氧发动机和液氧煤油发动机的组合 ， 特别是中间的氢氧可以长时间小推力地工作 ， 才实现了一级半就能直接入轨 。 ”长征五号火箭总设计师李东介绍 。
用一级半的火箭完成过去两级半火箭才能完成的任务 ， 无疑是技术上的一个巨大进步 。
黑科技之二：最大整流罩
“天和核心舱在火箭最顶端的整流罩里边 ， 火箭飞行过程中将承受非常恶劣的热学环境、力学环境和噪声环境 。 ”长五B总体主任设计师黄兵解释道 ， “因此 ， 核心舱就需要依靠整流罩的保护 。 ”
据了解 ， 长五B运载火箭的整流罩部分是中国迄今为止研制的最大尺寸整流罩 ， 直径超过5米、高度超过20米 ， 相当于六七层楼的高度 ， 规模较基本型增大了近1倍 ， 可以对核心舱、实验舱以及光学舱提供周全的保护 。
整流罩的规模增大后 ， 为了保证运载效率 ， 结构的刚度会随之减少 ， 而刚度是影响分离能源设计、分离包络设计的关键要素 ， 如何准确模拟飞行及分离过程中整流罩的刚度特性 ， 确保安全、可靠分离是研制过程中所面临的技术难题 。
为此 ， 在技术攻关过程中 ， 团队基于显式动力学方法进行了仿真分析 ， 首次计算出分离过程中的能量占比关系 ， 并通过三次大型整流罩地面分离试验对方案进行验证 ， 为分离系统的优化设计提供了基础 。
黑科技之三：“零窗口”发射
为了满足空间站交会对接的要求 ， 长五B运载火箭需要做到“零窗口”发射 ， 将发射时间误差控制在1秒以内 。 “零窗口”发射 ， 要求火箭各系统在点火前提前做好准备 ， 以“随时出发”的状态等待点火 。
“这项看似并不复杂的技术 ， 实际上需要从火箭可靠性提升、大系统之间发射流程优化两方面开展大量研究 。 ”长五B运载火箭结构总体设计师冯韶伟说 。
作为中国首个实施“零窗口”发射的低温火箭 ， 长五B运载火箭需要综合、权衡好“提前量”和低温推进剂“蒸发”的“消耗量”的关系 。
“通过可靠性分析和试验 ， 实现了关键系统可靠性提升；通过射前流程优化 ， 提高了各系统对‘零窗口’发射的适应性 。 ”李东介绍说 。
黑科技之四：大直径舱箭分离
作为空间站主要舱段的专用座驾 ， 舱箭分离技术也是长五B的一大亮点 。 此次发射任务中 ， 舱箭连接的直径为4100mm ， 也是中国长征系列运载火箭中所发射载荷规模最大的一次 。 整个核心舱长度近17m ， 重量达22.5t量级 。
有效载荷的规模增大后 ， 传统的包带、低冲分离装置均无法满足需求 。
要使重达20多吨的空间站舱段安全顺利“到站下车”绝非易事 ， 长五B创新采用更具可靠性的降冲击方案 ， 并采取了一系列减振降噪技术 ， 实现减振降噪的效果 ， 既确保了安全分离 ， 又将“下车”过程中可能出现的碰撞风险降到了最低 。
针对分离面不再是对接面的特殊星箭接口 ， 设计团队在机械接口设计过程中精益求精 ， 通过星箭联合操作精细化设计 ， 规避了行程开关失效风险 ， 最大程度确保发射任务成功 。 在此次对接过程中 ， 所有项目均为一次通过 。
黑科技之五：大推力入轨控制
作为一级半构型的火箭 ， 长五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 。
“研制团队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 。 ”李东说 ， 团队还设置了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 ， 提高舱箭分离的安全程度 。
后续 ， 中国还会发射天舟货运飞船和载人飞船 。 在建设空间站的目标中 ， 发射核心舱的任务是实现该战略目标的起点 ， 也是后续一切任务的源头 。 （刘峣 董佳莹）
【技术|揭秘空间站舱段“专属座驾”】《 人民日报海外版 》（2021年04月30日第09版）

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