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三十顆西安心助“胖五”一飛沖天

2019-12-28 09:08:04  來源:西安晚報  


[摘要] 12月27日20時45分,在中國文昌航天發(fā)射場,被稱為“胖五”的長征五號遙三運載火箭,成功踏上太空征程。而地處西安航天基地、有著中國航天液體動力 “國家隊”之稱的中國航天科技集團有限公司第六研究院,為火箭提供了30顆“西安心”。...

  原標題:三十顆西安心助“胖五”一飛沖天

  12月27日20時45分,在中國文昌航天發(fā)射場,被稱為“胖五”的長征五號遙三運載火箭,成功踏上太空征程。而地處西安航天基地、有著中國航天液體動力 “國家隊”之稱的中國航天科技集團有限公司第六研究院,為火箭提供了30顆“西安心”。

  火箭的發(fā)動機被稱為火箭的“心臟”。在“長五遙三”火箭上,此次共有30臺發(fā)動機,擔負著不同的使命。分別是8臺120噸級液氧煤油發(fā)動機、2臺50噸級氫氧發(fā)動機、2臺9噸級膨脹循環(huán)發(fā)動機,18臺作為輔助動力的姿控發(fā)動機。每一臺產(chǎn)品都必須做到萬無一失,穩(wěn)妥可靠。

  8臺120噸級液氧煤油發(fā)動機,承擔著火箭起飛90%的總推力,它的產(chǎn)品質量與可靠性,對于確保“長五遙三”火箭發(fā)射至關重要。為了使液氧煤油發(fā)動機試驗質量可靠性邁上一個嶄新臺階,在時間緊,任務重,難度大的情況下,六院165所液氧煤油發(fā)動機試驗區(qū)參試團隊總結經(jīng)驗、創(chuàng)新思維,通過梳理工藝、測控系統(tǒng)的設備狀態(tài)、工藝狀態(tài)和試驗流程,增強試驗系統(tǒng)薄弱環(huán)節(jié)和風險分析與控制措施,固化試驗系統(tǒng)狀態(tài)和流程,建立試驗系統(tǒng)技術狀態(tài)基線等措施,不僅縮短了發(fā)動機試車準備時間,提高了試車工作效率,而且進一步提升了試驗質量管理水平,提高了試驗可靠性。

  氫氧發(fā)動機之于“長五遙三”火箭,到底是怎樣意義的存在呢?用一個簡單的比喻,如果把常規(guī)火箭和“長五遙三”火箭比作兩輛車,在攜帶同樣的行李行駛同樣的路程時,前者自重需要1000噸,而后者自重只要約600噸。走相同的路,做相同的事,只需要近乎原來一半的“干糧”,液氫液氧為火箭帶來了高性能。

  作為長征五號火箭四型動力之一的輔助動力系統(tǒng)中的18臺姿控發(fā)動機,它們主要負責火箭二級發(fā)動機滑行階段的推進劑沉底管理、姿態(tài)控制和星箭分離前的末速修正。

  什么叫沉底?太空中沒有重力,火箭箱體中的液氫和液氧是以懸浮狀態(tài)存在。為了讓液氫和液氧享受強大的“推背感”,使其貼合在火箭箱體底部,進而可實現(xiàn)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機的二次起動,就需要被技術人員叫作“大沉底”“小沉底”的4臺300N發(fā)動機和2臺60N發(fā)動機來發(fā)揮作用。

  對于火箭的俯仰、偏航和滾轉等姿態(tài)的控制,就好比人在游泳時,上下浮沉、左右擺頭和左右翻轉這三個動作。前兩個動作分別由4臺300N發(fā)動機完成,滾轉則由4臺150N發(fā)動機完成。在星箭分離前,負責沉底管理的4臺300N發(fā)動機還會為火箭再次加速,讓衛(wèi)星與箭體分離時具備一個合適的初始速度,以便后續(xù)精準入軌。

  這些發(fā)動機有多大,形象地說,300N、150N和60N發(fā)動機就分別像1000ml、500ml和300ml容量的水杯大小,成人用單手就用抓住。這些小小的發(fā)動機,工作時間累計2000秒,工作累計數(shù)百次,它們不僅要承受液氫液氧的低溫環(huán)境和膨脹循環(huán)發(fā)動機工作時的熱流環(huán)境,還有著-30℃環(huán)境下的推力室起動能力,如此,才有了火箭精準細微的姿態(tài)變化。

看點1

“胖五”強大“西安心”如何造就

  本報訊 2017年“長五遙二”火箭發(fā)射失利,兩年多的時間里,航天科技集團六院頂住巨大的壓力,攻堅克難,不斷提升發(fā)動機的可靠性,撐起了“長五遙三”火箭的強大動力。

  “新研并生產(chǎn)裝配8臺發(fā)動機,試車時間近1萬4千秒”,這是2017年7月長五遙二火箭失利至今,為提升大推力氫氧發(fā)動機可靠性產(chǎn)生的一組數(shù)據(jù)。據(jù)介紹,大推力氫氧發(fā)動機自2001年開展專項研制的13年時間里,新研制發(fā)動機16臺,熱試車3萬多秒。在技術提升的短短兩年多時間里,完成了之前13年工作量的一半。這離不開研發(fā)團隊的高要求,對故障分析及可靠性提升所做的努力,最終都要在產(chǎn)品上得到驗證。為保證能夠交付最優(yōu)的產(chǎn)品,必須在全流程上進行把關控制,不漏疑點。

  同時,液氧煤油發(fā)動機研制團隊從設計的正確性、工藝的合理性、試驗充分性及產(chǎn)品實物質量控制方面復查產(chǎn)品質量的落實情況,全面梳理了影響成敗、功能的故障模式所涉及的設計特性。在創(chuàng)新上下狠功夫,讓液氧煤油發(fā)動機的可靠性得到不斷提升。

  兩年多來,發(fā)動機相關問題嚴格按照航天科技集團歸零“雙五條”標準,完成問題歸零,先后組織了百余次故障分析會及專題會,對于故障分析情況進行嚴格把關,25位院士及5位大學教授作為特邀專家,聽取發(fā)動機研制工作情況,提出意見建議。系統(tǒng)內(nèi)的近60位領導專家也參與到交流討論中。

  為保證產(chǎn)品技術狀態(tài)的一致性,要求工廠生產(chǎn)現(xiàn)場使用的設計文件、工藝文件、質量文件,必須簽署完整,文文一致、文實相符、圖文清晰、現(xiàn)行有效,確保文、圖、物一致,符合使用要求。發(fā)動機出廠前組織設計師對技術文件進行對標清理,根據(jù)梳理結果,組織進行專題評審。這一系列的舉措,讓發(fā)動機可靠性得到不斷提升,為“長五遙三”火箭提供了穩(wěn)定可靠的動力保證。

看點2

盤點實踐二十號衛(wèi)星上的西安科技

  實踐二十號衛(wèi)星是我國推動航天新技術和新平臺發(fā)展再上新臺階的又一塊重要“試驗田”。在這塊航天高科技的“試驗田”里,航天科技五院西安分院培育了代表我國高通量衛(wèi)星未來發(fā)展方向的Q/V載荷,“種植”了能夠實現(xiàn)星間、星地更大容量衛(wèi)星通信的“激光終端”,還栽培了能夠實現(xiàn)通信資源靈活分配的“寬帶柔性轉發(fā)器”。

  Q/V載荷

  高通量通信衛(wèi)星(High Throughput Satellite,簡稱HTS)是我國通信衛(wèi)星未來發(fā)展的重要方向。使用Q/V載荷的高通量衛(wèi)星以及超高通量衛(wèi)星將可以大大地提高在偏遠地方實現(xiàn)寬帶互聯(lián)網(wǎng)的能力,并且更為高效、成本更低。

  實踐二十號衛(wèi)星副總設計師周穎表示,實踐二十號衛(wèi)星通過Q/V載荷則能達到40Gbps容量,相當于建設了四個傳統(tǒng)衛(wèi)星地面關口站。

  激光終端

  航天科技五院西安分院研制的激光終端,將作為激光通信的主體通過激光傳輸實現(xiàn)星地和星間通信。激光通信是未來地面超大容量關口站實現(xiàn)的主要途徑,也是未來建設天基信息網(wǎng)絡中星間通信的主力。

  寬帶柔性轉發(fā)器

  航天科技五院西安分院為實踐二十號衛(wèi)星所研制的寬帶柔性轉發(fā)器,在國際上也屬難度較大的載荷產(chǎn)品,代表著一個國家星載數(shù)字透明處理的最高水平。衛(wèi)星通過寬帶柔性轉發(fā)可以將頻率資源進行詳細劃分,并且通過在軌網(wǎng)絡管理實現(xiàn)多用戶的靈活使用,提升星上通信資源的使用效率。

  高精度應答機

  航天科技五院西安分院為該衛(wèi)星研制的高精度應答機將對衛(wèi)星的測控精度由以前的幾十米提高到厘米級,實現(xiàn)了對衛(wèi)星測控質的飛躍。

  衛(wèi)星天線

  航天科技五院西安分院的“空間天線大咖”們?yōu)榱藢崿F(xiàn)衛(wèi)星的復雜功能,在衛(wèi)星艙板上安裝了三重疊的三副天線,三副天線在收攏后共用一個安裝面,不僅縮短了反射器尺寸,加大焦距,還節(jié)省空間。

看點3

“胖五”成功發(fā)射

有賴兩件“法寶”

  在長征五號遙三火箭成功發(fā)射的背后,位于西安的中國航天科技集團有限公司第四研究院有兩件神秘的“法寶”——正推火箭和消氫點火裝置,為成功發(fā)射提供了保障。

  正推火箭是火箭飛行過程中為實現(xiàn)芯一級、芯二級可靠分離而研制的分離發(fā)動機,為級間分離提供動力的裝置?;鸺疽患壒ぷ鹘Y束后,正推火箭接到分離指令,開始點火工作,此時,發(fā)動機產(chǎn)生推力實現(xiàn)芯二級液體推進劑沉底,確保火箭按照預定程序完成任務。

  由航天科技四院41所研制的正推火箭兼具固體發(fā)動機和火工品的雙重特性,其工作時間長,可靠性要求高,環(huán)境條件極其苛刻,是目前運載火箭箭體使用的最大火工品。發(fā)動機固體動力推進劑,采用新型配方材料,具備低燃速、低殘渣的特點,能夠確保發(fā)動機產(chǎn)生強大推力的同時,不對火箭芯二級箭體產(chǎn)生損傷,而且比同類發(fā)動機更加綠色環(huán)保。為確?;鸺|量,航天科技四院開展了大量質量復查工作,對4臺正推火箭進行了產(chǎn)品檢查確認及零部件更換工作,并完成了全級次供應商統(tǒng)計梳理。為確保“正推火箭”穩(wěn)定、可靠工作,固體動力源添加了新型功能助劑,并通過大量的配方優(yōu)化試驗,不斷提高推進劑的穩(wěn)定性和燃速控制精度,進而提升了發(fā)動機工作的同步性和一致性。

  長征五號運載火箭采用氫氧發(fā)動機,在點火前會向發(fā)射平臺周圍環(huán)境排放大量低溫氫氣。當氫氣與空氣混合濃度達到一定范圍時,遇到靜電或明火就會產(chǎn)生爆炸或爆轟,不僅損壞發(fā)射場的設備和設施,甚至會導致星箭俱毀的嚴重后果。為消除火箭發(fā)射前的大量低溫氫氣,徹底排除發(fā)射前的安全隱患,航天科技四院42所專門研制了消氫點火裝置。

  該裝置安裝在發(fā)射平臺上,能在火箭氫氧發(fā)動機工作前的2~3秒內(nèi),點燃火箭發(fā)射的“第一把火”,利用噴射的高溫、高速燃氣金屬粒子流,將發(fā)射前排出的大量氫氣在其未達到可爆炸最低濃度前先行消除,以保證運載火箭發(fā)射的安全性。該裝置采用了高安全性的藥劑材料,應用了先進的控制技術,確保能夠“準確、準時”點火,待消除氫氣后又能及時“熄火”。

看點4

“胖五”“最強大腦”

也是西安造

  長征五號遙三火箭發(fā)射任務中,位于西安的中國航天科技集團有限公司九院771所配套研制的箭上和地面整機產(chǎn)品共計7種、14臺/套,擔任了研制火箭發(fā)射“最強大腦”的任務。

  箭載計算機是火箭控制和精確入軌的關鍵保證。此次,長征五號遙三火箭控制系統(tǒng)采用1條雙通道1553B總線實現(xiàn)火箭的實時控制和信息綜合,箭載計算機作為1553B總線的總線控制BC端,享有總線控制權,其他設備作為遠程站點運行。為有效控制長征五號遙三火箭內(nèi)部這條“雙車道高速公路”,保證信息傳輸?shù)臅惩?,箭載計算機內(nèi)部設計有三套1553B總線控制電路,利用三中取二表決機制實現(xiàn)BC權在三套總線控制電路中的切換,即使在一度故障的情況下,箭載計算機仍可完成火箭的實時控制和信息綜合。

  此次,在箭載計算機內(nèi)部還設計了特有的“聽診器”,能夠自動“監(jiān)聽”飛行控制軟件運行過程中的各類重要參數(shù),并將參數(shù)自動組幀下傳至地面測發(fā)控系統(tǒng)存儲。這套“聽診”裝置,稱之為總線監(jiān)控技術。該技術可以使控制系統(tǒng)在不修改飛行程序控制流程的情況下,獲得更多的執(zhí)行過程原始數(shù)據(jù),及時、有效地發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)中存在的隱患,為系統(tǒng)的故障定位提供判定依據(jù)。

  為了確保安全,此次發(fā)射任務專門建立了地面測試控制系統(tǒng),對火箭進行發(fā)射前的“體檢”和發(fā)射過程中的檢測。771所研制的地面測試計算機、光纖慣組信號采集處理系統(tǒng)等地面單元測試計算機,用于對火箭控制設備進行實時測試。形象地說,各種地面計算機就如同醫(yī)院派出的門診專家,對火箭的“大腦”“心臟”等關鍵部位進行實時監(jiān)控,實時分析數(shù)據(jù)并反饋給系統(tǒng)。

  在火箭發(fā)射前,地面測試計算機及時檢測箭上設備的狀態(tài),確認火箭發(fā)射前一切狀態(tài)正常,保證火箭發(fā)射后進入軌道飛行前,準確采集火箭姿態(tài)等信息,實時計算、處理、傳遞和執(zhí)行各種指令,使火箭按照規(guī)定軌跡飛行,實現(xiàn)準確入軌。光纖速率陀螺如同人的“小腦”,主要用來表征火箭方向和姿態(tài),其準確度與火箭入軌精度緊密相關。

新聞背景

“胖五”為何被稱為

中國“最強火箭”?

  12月27日,中國文昌航天發(fā)射場。被稱為“胖五”的中國“最強火箭”長征五號迎來重生時刻,圓滿完成第三次發(fā)射任務。

  長征五號是我國目前起飛規(guī)模最大、運載能力最強、技術跨度最大的一型運載火箭,實現(xiàn)液體運載火箭直徑由3.35米至5米的跨越。“胖五”身高約57米,起飛重量約870噸,它使我國現(xiàn)役火箭的運載能力提升2.5倍,可一次將16輛小汽車的重量送入太空。有了它,還能把更大更重的飛行器送到深遠的太空。

  中國航天科技集團長征五號火箭總設計師李東說:“它是中國邁向航天強國的入場券。”

  中國航天科技集團一院院長王小軍告訴記者,長征五號未來肩負著開展載人航天空間站建設、月球采樣返回、火星探測等多項重大航天工程任務,是中國航天名副其實的“夢想號”。

  據(jù)新華社

  本組文除署名外由記者關穎采寫

編輯: 張潔

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