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军报揭秘:为什么长征七号的尾焰多了蓝色  

2016-06-26 06:50:56|  分类: 军情军事 |  标签: |举报 |字号 订阅

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军报揭秘:为什么长征七号的尾焰多了蓝色

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涛声阵阵,椰风习习。灿烂星空注视着这壮丽一幕——

公元20166252000分,海南文昌航天发射场,我国全新研制的长征七号运载火箭托举升级版太空摆渡车——远征一甲上面级,成功将六类七项载荷成功送入预定轨道,拉开了我国载人航天工程空间实验室任务的序幕。茫茫太空,长征家族主力接班人来了!仰望星空,航天科技集团一院长征七号运载火箭副总指挥张涛,一直注视着这个全新一代运载火箭,直到尾焰消失在夜空为止。长征七号的长征之路刚刚开始,未来,它将承担更多使命!他说。长征七号首飞成功之际,本报记者为你讲述与这个长征家族主力接班人零距离接触的见闻和感受。


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一、除了腰围没变,其他全脱胎换骨—点火!起飞!伴随着振聋发聩的轰鸣声,长征七号运载火箭划破天际,冲向云霄。看!橘红色,多壮丽的颜色!人群中传来兴奋的呼喊。闻听此言,海南文昌航天发射场动力室工程师胡雷鸣真想冲过去告诉他们:这一次,长征七号点火之后喷出的尾焰颜色不一样了!仔细分辨,那喷薄而出的橘红色中,果然比以往多了一点蓝色!蓝色系的加入,让长征七号划过夜空的尾焰更亮了。尾焰颜色的变化提醒我们,这是一款全新的火箭。尽管它身上带着长征系列运载火箭家族的明显基因——外形和尺寸大致相似的整流罩,助推器直径仍然是标准的2.25米直径,芯级直径为3.35米,但在航天科技集团一院长征七号运载火箭副总指挥张涛看来,除了腰围没变,其他都脱胎换骨了。仅从外观上看,颜值更高了!胡雷鸣至今记得在天津总装厂房第一次看到长征七号时的情形:比起以往在飞的长征系列火箭,它的明显变高了,更协调、更美观。胡雷鸣口中的是指长征七号的4个推进器,长约27米的助推器,接近现役火箭助推器长度的2倍。这种改变,意味着要对火箭的设计进行全面的更新。传统火箭固定助推器需要两个捆绑点,而长征七号又增加了一个捆绑点,相对现役火箭静定的捆绑方案,载荷、捆绑装置等设计难度大大增加、可靠性大幅提升。不仅变高了,体重也增加了。很难想象,这个起飞重量接近600吨的钢筋铁骨大个子,体重的90%甚至更多居然都是燃料。成天和长征七号工程设计人员一起工作的胡雷鸣解释得颇有专业味道:火箭是卫星等载荷通往太空的专车,对于这辆专车来说,车本身的自重越小越好,能提供动力的燃料越多越好。因为这样,就可以把尽可能多的运量留给乘客心脏也更强壮了。张涛告诉记者,长征七号最根本的变化来自动力系统。它采用了液氧煤油发动机等新技术,一举将我国中型运载火箭低轨道的运载能力由8.6吨提高至13.5吨,达到国外同类火箭先进水平。为什么点火时尾焰的颜色中会有点蓝?主要是燃料出现了变化。他说,长征七号采用无毒无污染的液氧煤油作为燃料,较常规推进剂比冲提高20%,推力提高了60%,不仅秉承了中国航天绿色环保的发展理念,顺应国际潮流,还降低了成本提高了火箭性能。操作手闫雷的工位在长征七号发射平台的配气台,这个工位几乎就在火箭喷管下面,只有在火箭点火前40分钟,他才能离开这个工位。这位离火箭最近的小伙子注意到了更多细节的变化。你看它的整个尾段,全部涂了一层厚厚的防热胶。每个螺钉、每个接缝都处理得很精细。闫雷的直接观感背后,是我国火箭设计制造能力和工艺的整体跃升。毫不夸张地说,打从娘胎里,长征七号就带着与以往不一样的基因。它突破了三维协同设计、三维设计数据管理及基于三维的流程仿真、飞行综合性能仿真等多项关键技术,打通了从设计到制造的全三维流程,堪称我国第一枚全数字火箭。


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二、虽说是新人,但经得起千锤百炼——发射前,有记者问张涛:对长征七号有没有信心?这位航天科技集团一院长征七号运载火箭副总指挥笑着回答:有信心!张涛的底气源自长征七号的一身本领。对这一点,张涛了如指掌。虽说是新人,但经得起千锤百炼!在发射塔架前,张涛比划着尽可能通俗地讲明白长征七号的独门功夫”——

1.不怕水。现役火箭发射选择窗口时都会避开雷雨天,而长征七号运载火箭则能实现中雨发射,这是因为新一代运载火箭是做了防水设计的。仅电连接器防水部位就有千余处,这还不包含电缆本体、电缆进出口、仪器本体、仪器与结构缝隙和结构总体专业防水。张涛说。

2.不怕冷。长征七号发射前加注完液氧后,火箭结构温度会急速下降。因为存贮液氧的火箭贮箱外表面有一层10毫米厚的密度极低的绝热材料,长征七号好比披上了一件防寒服,尽管液氧温度低至零下183℃,但是火箭外表面温度依然可以保持在0℃以上。

3.不怕风。与其他3个内陆发射场相比,海南文昌航天发射场的特点之一便是风大——距地面五六十米高的地方风速要远高于地面风速。为提升抗风能力,长征七号装上了防风减载装置,即使遇到8级大风的天气,依旧可以转场,其抗风能力超过现役火箭。

4.不怕等。那天合练,长征七号运载火箭低温燃料加注后成功停放了24小时,创下了低温燃料停放时间最长纪录。这也意味着火箭发射有了更多有利时间,发射的可靠性大大提高。

6.不怕扰。长征七号复杂的结构,给火箭的大脑控制系统带来了全新挑战。长征七号控制系统创新采用了143项智能控制软件,为现役火箭软件使用量的30倍以上,大大提高了控制精确度。另外,在每个舱段中都安装了控制系统,改变了以往集中处理的方式,减轻了控制系统压力。这也标志着我国火箭控制系统已向全面数字化控制模式发展。长征七号未来成熟后将成为新一代载人火箭,用于发射新一代载人飞船。张涛说。千锤百炼的本领,源自千锤百炼的试验。据统计,仅初样研制,研制队伍就完成了32项关键技术攻关,完成了289项初样大型地面试验。你能想到吗,长征七号的助推氧化剂箱最薄的地方仅有1.7毫米,只有鸡蛋壳那么厚,是火箭研制生产中难度最大的部分之一。为此,科学家们不仅要研发各种成形、焊接的新技术,还要对其进行动力系统试车、常温静力试验、爆破试验等危险测试。你能想到吗,为了模拟火箭从起飞到助推器分离前100多秒的真实飞行状态,需要把长征七号绑在全箭振动塔上反复荡秋千。置身全箭振动塔,当初用来悬挂长征七号的16根粗钢丝绳,仍悬垂在这个高93米、面积达10230平方米的建筑内。那是长征七号在地球上的摇篮。而今,它带着在摇篮里的所有记忆,义无反顾地投进了宇宙的怀抱。让我们祝福这位长征家族的新人


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三、它的一小步,是中国航天的一大步——与长征七号密切接触的这段日子,记者有幸目睹了它迈出的每一步,可谓步步精彩,步步意味深长。

第一步:坐着沙发去文昌。众所周知,长征七号是从天津海运到文昌的。海运是目前火箭运输方式中,最理想的选择。航天科技集团一院长征七号运载火箭总体设计人员王旭形象地说,火箭走公路、铁路,就像坐硬板床;乘船走海运,就好似坐沙发从天津港到文昌清澜港,这一步的背后,是我国航天发射原点的划时代位移。从此,我国航天发射迎来一个崭新的起点。

第二步:带着脐带塔走向发射塔。垂直转场那天,紧紧包裹长征七号的巨型活动塔架格外引人注意。这是为长征七号专门设计的脐带塔。长征七号地面设备副主任设计师吴梦强说,它的两侧装有6根摆杆,内部铺设有加注、供气、空调管路和箭上众多控制电缆,以及配气台和中频电源房间,因此它的结构及组成是最复杂的,这也意味着我国运载火箭的研制技术又迈出了一大步。这一步的背后,也是垂直总装、垂直测试、垂直转场三垂测发模式的巨大变革,火箭待在发射阵地的测试时间从此变得更短。

第三步:成功迈出太空第一步。海南文昌航天发射场指挥控制中心,口令声和报告声此起彼伏。长征七号成功将六类七项载荷成功送入预定轨道的喜讯传来,指控大厅内欢呼一片。它的一小步,是中国航天的一大步。这一步,标志着我国在载人航天工程和新一代运载火箭研制中取得了重大突破,对于完善我国运载火箭型谱、提升进入空间能力具有重大意义。

1.长征七号,梦想载体。在长征七号发射平台的一间配气室里,几名工程师和操作手畅想着未来:很期盼发射货运飞船”“希望长征七号早日托举载人航天器”……当被问及参加长征七号第一次发射的感受,他们七嘴八舌地说:空间站、载人登月、火星舱、深孔探测器,未来,这里的第一次只会越来越多!

2.长征七号,任重道远。“‘长七,长期,长征!此言不虚。在航天科技集团一院长征七号运载火箭副总指挥张涛看来,长征七号所开启的时代有多壮丽,它的使命就有多光荣。完成此次首飞任务,长征七号很快将承担中国首个空间货运飞船——天舟一号的发射,在不远的未来,它还将承担中国航天多种类型的发射任务。这是我国在役主力火箭的接班人,更是我国未来航天发射任务的主力军。张涛对长征七号寄予厚望:作为我国新一代中型运载火箭的基本构型,通过改型或与上面级组合,长征七号运载能力将覆盖大多数主流卫星所需的运载能力,面向主流卫星市场,适应面更宽。说到这里,他指了指工作服臂上的图案说:你看,这是长征七号火箭在环绕地球,寓意长征七号誉满全球、走向世界!


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四、长征七号研发团队成员大多不满35——昨晚,长征七号运载火箭首飞成功,这是长征系列运载火箭的第230次飞行。长征七号使用了哪些核心技术,如何“身临其境”地进行装配,又如何缩短发射准备时间?此外,它的“大脑”如何运转,研发团队又包括哪些人?新京报记者就上述问题,采访了长征七号相关人员进行揭秘。

  (一)技术创新:11大技术,适应高热高湿高盐雾环境——据中国航天科技集团相关负责人介绍,长征七号采用了全新的液氧煤油发动机低温动力系统,研制期间攻克了包括助推器联合摇摆参与姿态控制技术、超静定捆绑技术,适应沿海发射场高热、高湿、高盐雾的自然环境防护设计技术等11项重大关键技术,提升了火箭的性能,推动了火箭技术的进步。另据介绍,长征七号的总体技术特点与难点有六新。

  1.新动力。各级均采用新研的液氧煤油发动机及与之适应的新型低温增压输送系统,研制难度大。

  2.新布局。助推器长度为现役运载火箭的2倍,采用三支点超静定捆绑方案。二级尾舱空间紧凑,通过采用二次分离,确保级间分离的可靠性。

  3.新环境。新型动力系统及多发动机并联导致箭上和地面的力、热环境严酷;海南发射场高温、高湿、盐雾、浅层风及雷电等自然环境条件带来新挑战。

  4.新结构。采用三维设计制造技术,打通从设计到制造的全三维流程。

  5.新体制。使用新型总线控制,实现遥、外测一体化设计,采用天基测控,实现重要数据中继传输。

  6.新测发。采用“新三垂”测发模式,转场过程中保持箭地的气、液、电连接状态不变,起飞段采用大流量喷水系统进行降温降噪。

  (二)火箭维修:虚拟技术,设计人员“身临其境”操作——利用“虚拟现实技术”,设计人员可“身临其境”装配火箭,有效确保关键零部件出现问题时,有安全可靠的维修方案。目前,这种验证方法已在长征七号关键环节的仿真验证和试验中使用。长征七号首飞前,要进行大量试验。其中一次动力系统试验时,设计人员发现需要更换管路。而长征七号一级箭体装配时是水平摆放,在试车台上却是垂直摆放,二者操作流程完全不同。同时,管路附近关键仪器设备多,稍有不慎就会对其产生影响。为了快速更换管路,设计人员当晚就拿出了一套方案。如何验证方案的合理性?设计人员把长征七号一级箭体用“虚拟现实技术”进行仿真,通过佩戴3D头盔显示器及位置跟踪设备,“身临其境”地验证维修方案是否合理;操作人员用同样的方式进行实景操作。从方案的设计到验证,设计人员只用了不到1天的时间,方案非常完美。这使得在试车台上对长征七号一级箭体的管路进行更换时,可与其他工作同步开展,有力确保了试验进度不受影响。“虽然电脑中可以实现三维模型的虚拟维修,但是不够真实,利用‘虚拟现实技术’,可以在虚拟环境中真实体验,得到验证。”中国航天科技集团一院设计人员赵博说,还要把这项技术应用在火箭发射场虚拟训练、发射场总装流程预演中,可有效确保火箭的可靠性。


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  (三)发射准备:发射前仅一次对接,时间缩短3天——火箭在发射场进行的垂直总装、垂直测试、垂直转场,被称为“三垂模式”。据新华社报道,从垂直转场到成功发射,长征七号只用了84个小时,是我国目前发射占位最短的火箭。据了解,长征七号采用“新三垂模式”,使火箭到达发射区后,三天左右即可执行发射任务,比现役采用“三垂模式”火箭缩短了3天。设计人员介绍,现役火箭的前端测发控设备一般都是两套,一套在技术区、一套在发射区,而长征七号只有一套,安装在活动发射平台内。一套前端测发控设备,外加气、液路通过活动发射平台上的脐带塔和摆杆与火箭连接,使长征七号在技术区和发射区的箭地连接关系能够很好地保持一致,从而精简了火箭垂直转场后,在发射区进行的气、液、电再次对接以及相应的测试工作。现役火箭中采用“三垂模式”的仅有长二F火箭,其箭地连接工作在技术区和发射区要进行两次。而长征七号仅一次对接就成,状态的一致性更好,且前端地面测发控设备在技术区进行了充分测试,转至发射区后出现故障的概率更低,有效提高了发射的可靠性。据了解,文昌发射场时而会有台风。目前,中国能提前45天确定台风登陆的具体地点。长征七号将射前准备时间缩短至3天左右,这样一来,在得知气象预报后就能决策火箭是否转场,避免转场后遇到恶劣天气再返回技术区的情况发生。

  (四)控制系统:全数字化控制火箭,国际领先——长征七号是为满足中国载人空间站工程发射货运飞船和未来载人运载火箭更新换代的需求,而研制的新一代高可靠、高安全的火箭,其控制系统非常关键,是运载火箭的“大脑”。如何让这个大脑变得智能、可靠,是控制系统团队长期思考的问题。据介绍,中国航天科技集团一院长征七号控制系统团队共20人,除去项目主管,箭上控制系统4人,测发控系统4人,制导和控制系统5人,软件专业4人,是一支专业水平过硬,技术素养超强的攻关型团队。系统研制的八年间,这支团队解决了多项技术难题,并在系统总线控制方面进行了大胆创新和实践。长征七号控制系统采用基于多余度总线的全数字控制系统,智能化、信息化程度高,适应能力强,功能覆盖更广,具有易操作、快速发射的特点,可靠性、入轨精度等均达到国际领先水平。此外,打造全数字化控制火箭、提升智能信息化测发水平是长征七号的“新一代特征”之一,也是控制系统团队在系统研制中突破的重要关键技术。


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  (五)研发团队:总体设计团队年轻,博士近半——据了解,研发团队包括长征七号总体设计团队、长征七号测量系统团队等。其中,不满35岁的成员占据多数。总体设计团队是一支年轻而具有战斗力的团队,80%以上不到35岁。大部分为近4年内入职的年轻员工,均为党员,学历为硕士以上,其中博士占46%。他们是新一代中型运载火箭的总体规划师,决定了火箭的“外貌”和“内涵”。测量系统团队既有能力与经验齐备的博士、专家,也不乏活力四射、跟随长征七号一路成长起来的年轻设计师。该团队为全方位了解长征七号发射过程、感知火箭温度、测听火箭噪音提供“监听”、“监看”技术手段。此外,增压输送系统研制团队,平均年龄30岁。箭体结构攻关团队,平均年龄32岁,成员大部分是硕士学历。数字化技术攻关与实施团队平均年龄不到35岁,核心人员由结构、电气、软件等多个专业的硕士、博士组成。信息控制团队也是支年轻队伍,首次实现长七动力系统测发控的闭环控制,通过虚拟化冗余重构、软硬件抗干扰及高精度时序控制等技术,保障火箭发射安全。

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