“胖五”再度出征，如何做到分秒不差發射

本文圖片來源：中國航天科技集團運載火箭技術研究院

　　“胖五”再度出征，“問天”順利入軌。

　　7月24日，由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院（簡稱：“火箭院”）抓總研製的長征五號B遙三火箭拔地而起，成功將問天實驗艙發射至預定軌道。

　　問天實驗艙是我國空間站建造階段首個實驗艙，也是我國迄今為止發射的最重載荷。此次任務是今年完成空間站在軌建造承上啟下的關鍵之戰，其發射成功意義重大。

　　首次執行零窗口發射任務

　　作為我國目前近地軌道運載能力最大的新一代運載火箭，長征五號B運載火箭（以下簡稱“長五B火箭”）擁有長達20.5米的國內最大整流罩，近地軌道運載能力達到25噸級，問天實驗艙是我國迄今為止重量最大的載荷，重量約為23.2噸，長五B火箭是發射問天實驗艙的最佳選擇。

　　在過去近兩年 ，包括此次發射在內，長五B火箭表現不俗，取得了三戰三捷的成績：2020年5月5日首飛成功，將新一代載人飛船試驗船和柔性充氣式貨物返回艙試驗艙送入太空；2021年4月29日，長五B火箭成功發射天和核心艙，空間站建造的開局之戰圓滿成功。此次發射成功後，長五B火箭還將在10月發射夢天實驗艙，之後三艙形成“T”字基本構型，完成中國空間站在軌建造。

　　此次發射問天艙，是我國大型低溫火箭第一次執行交會對接任務，對火箭的運載能力、入軌精度和發射可靠性都提出了更高要求。本次任務中，長五B火箭實施零窗口發射，這也是長五系列火箭首次執行零窗口發射任務。

　　火箭院長五B火箭總體副主任設計師劉秉介紹：“問天實驗艙需要與空間站天和核心艙進行快速交會對接，因此，必須在規定時間分秒不差地發射，否則將無法到達指定位置，需要耗費巨大代價調整軌道；甚至導致發射終止，那就需要等待下一個發射窗口重新組織發射，嚴重影響任務週期。”

　　為保證準時發射，型號隊伍對射前負10分鍾的發射流程進行了優化，將部分流程前置。其實，距離發射2.5分鍾時，火箭就已完成發射前各項準備工作，具備了點火發射能力，隨時可發射。雖然只有短短的2.5分鍾，但對型號隊伍來說卻意味著寶貴的時間和機會，射前萬一發生突發情況，型號隊伍可在這2.5分鍾內迅速作出決策、進行處置。

　　準時點火只是開始，精準入軌才是成功。劉秉介紹，長五B火箭還應用了起飛時間偏差修正技術，最大修正時間為2.5分鍾。“通俗理解，火箭最遲可推延2.5分鍾發射，在0到2.5分鍾這個時間段內的任一時間點發射，火箭都可以在飛行過程中自動修正因推遲發射導致的飛行偏差，將實驗艙精準送入預定軌道。”

　　長五B是低溫火箭，面臨著低溫推進劑加註問題和複雜的發射射前流程，實施零窗口發射相比常溫火箭難度大得多。

　　原來，各系統只能按時序完成射前指令，把時間消耗在等待上一流程上。“就像面對逐題試卷限時競答，一旦卡在前面簡單的問題上，後面的題目分數很高卻又不能做，顯得束手束腳。”火箭院長五B火箭副總設計師婁路亮這樣比喻。

　　為了和時間賽跑，設計團隊開展了適應“零窗口”發射要求的射前流程優化改進，對全箭射前流程環節、可優化內容及發射窗口整體前移的有關影響開展專題確認。

　　“冰箭”如何“穿越火線”

　　大家知道，長五B火箭採用液氫液氧作為推進劑，有“冰箭”之稱，在800多噸的身體里，90%是零下252攝氏度的液氫和零下183攝氏度的液氧，接近低溫極限。而現在正值大暑時節，又在低緯高溫之地發射，那麼，“冰箭”如何穿越“火線”呢？

　　海南文昌發射場氣候潮濕，在最熱時刻發射，低溫推進劑加註後，箭體表面的溫度低，就會出現結露現象，箭體表面的冷凝水順著箭體流下，這對箭體結構的防水提出了較大挑戰。為此，週身冰冷的它在完成加註後要防止貯箱內部溫度過高，因此採用隔熱材料和工藝，在外層均設置了絕熱層，就像披上了一身“隔熱汗衫”，保持箭體內外溫差較大的情況下維持低溫環境。不但能夠有效減小貯箱內部溫度升高，同時可以有效緩解箭體外部冷凝水的產生。

　　火箭院結構系統指揮王乾解釋了“隔熱汗衫”的工作原理：“一方面，團隊通過在整流罩內部設計排水罩和倒水孔，將艙內可能產生的水往外疏導；另一方面，在箭體的關鍵設備、電纜均採取防水措施，同時箭體部段間的對接面同樣利用塗膠等手段進行封堵，防止外部水汽進入箭體內部。”

　　在執行發射任務前，約20層樓高、幾百噸重的“冰箭”要從總裝廠房被轉移到發射塔架，整個過程需要兩三個小時才能完成。為了避免“冰箭”被“熱化了”，設計人員為這個“巨無霸”設置了全程冷鏈運輸。

　　“大暑迎發射，又是在中午，如果不能保障全程冷鏈運輸，金屬一旦熱脹冷縮就會影響煤油貯箱的容量。”火箭院長五B火箭副總設計師婁路亮說。

　　所謂全程冷鏈運輸，也就是在星罩組合體轉運和火箭轉運至發射區過程中，均有空調向罩內輸送常溫乾燥空氣，保障問天實驗艙的舒適度。其中，星罩組合體轉運主要使用的是轉運車搭載的吹風設備，火箭轉運發射區過程中主要使用活動發射平台上的空調。等火箭到達發射區後，整流罩部分通過空調口進行空調送風，各殼段通過艙口進行空調送風。

　　為了給“冰箭”和“乘客”（問天實驗艙）最合適的溫度，團隊特意為它訂製了Plus版空調房，也就是始終保持常溫乾燥空調送風的超大整流罩。

　　“我們根據問天艙外形包絡情況，重點開展了罩內許用空間安全分析，”王乾說，“同時，為保證問天艙的對接安裝，我們也在整流罩、載荷支架、儀器艙的多餘物清潔方面做了很多工作。確保在火箭飛行和分離動作過程中，不產生多餘物。”

　　“乘客是第一位的，除了大空間，我們還要儘量保障它的溫濕度條件。”婁路亮說。“冰墩墩”的整流罩上共設置了兩路送風接口，送風空調能夠滿足超大空間送風要求，從而保障問天艙始終處於舒適的環境。整流罩的頭錐部段選用了馮卡門錐曲線，頭錐高度達到5米以上，能夠大大降低火箭在大氣飛行中的氣動加熱，保障整流罩內外溫差較小。同時，設計人員在整流罩外側粘接具備優良的隔熱效果的軟木，能有效減小因氣動加熱引起的罩內溫度升高，避免問天艙在穿越大氣層時遭受炙烤。

　　打造更可靠更高效的“胖五”

　　海南高溫、高濕、高鹽霧，同時伴隨豐富的降水，對發射場地面設備造成嚴重的腐蝕，而長五B火箭發射的地面設備在2014年通過驗收，2015年安裝交付使用，按照8年的設計壽命，已臨近設備的壽命末期，地面設備面臨著質量問題發生率上升的風險。

　　“為消除該風險，長五B團隊對地面設備進行了全面的檢修、維護、更換和完善工作。”火箭院長五B火箭副總設計師婁路亮告訴記者，“一方面，團隊對所有裝機元器件進行壽命評估，對易損件、短壽件採用替換新器件方案，直接消除風險。另一方面，對有標校期和精度要求的設備、以及更換存在難度及風險的設備進行防護維修。”

　　同時，為從原始設計中查找隱患，從源頭組織推動解決問題，長五B團隊聚焦長征五號系列火箭飛行試驗曆史數據和射前測試數據，對已飛行的七發曆史數據進行再分析，在此基礎上形成了地面設備精準維修方案。據瞭解，研製團隊在此次發射任務前共計完成整機或部件更換201台/套，占全部設備的30%。

　　安全、精準地將問天實驗艙送到目的地是型號隊伍的首要任務。為不斷提高火箭可靠性，型號隊伍在生產工藝等方面進行了30餘項改進。

　　隨著發射次數增多，型號隊伍對火箭技術狀態的認識也更加全面。目前，長五B火箭在發射場的發射準備時間約為60天，本次任務進一步優化了測試流程，在火箭模塊轉運、狀態恢復、吊裝前準備等環節，將串行工作模式改為並行。現在，53天就可完成發射準備工作，比以往縮短了7天。劉秉說，這種改進增強了火箭發射使用的便利性，有效應對了“十四五”期間的高密度發射任務。

　　據瞭解，長五B火箭將在明年承擔我國第一個大型空間巡天望遠鏡發射任務，屆時與空間站共軌飛行，開展更多的深空探測和前沿科學研究。