“問天實(shí)驗(yàn)艙”發(fā)射任務(wù)是我國(guó)
首次進(jìn)行大推力火箭“零窗口”發(fā)射
【資料圖】
這個(gè)“零窗口”發(fā)射有多難？
長(zhǎng)五B如何應(yīng)對(duì)“零窗口”發(fā)射挑戰(zhàn)？
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西昌衛(wèi)星發(fā)射中心總工程師 鐘文安：發(fā)射時(shí)刻不能超過1秒，我們還制定了一千多個(gè)預(yù)案。
西昌衛(wèi)星發(fā)射中心副主任 毛萬(wàn)標(biāo)：最大的挑戰(zhàn)就是“零窗口”發(fā)射，技術(shù)的復(fù)雜性和難度以及應(yīng)急處置可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)都非常巨大。
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師 黃兵：你稍微偏一點(diǎn)可能就對(duì)后面的交會(huì)對(duì)接形成很大的一個(gè)壓力。
揭秘中國(guó)空間站故事
“問天”實(shí)驗(yàn)艙將于近期在海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)實(shí)施發(fā)射。這是一次“零窗口”發(fā)射，這也是我國(guó)空間站的第二個(gè)艙段。今天的《時(shí)空觀察》我們就要開始為您揭秘中國(guó)空間站的故事。
中國(guó)空間站的故事是從“三步走”戰(zhàn)略開始的：
第一步，發(fā)射載人飛船，建成初步配套的試驗(yàn)性載人飛船工程，開展空間應(yīng)用實(shí)驗(yàn)。
第二步，突破航天員出艙活動(dòng)技術(shù)、空間飛行器交會(huì)對(duì)接技術(shù)、發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室，解決有一定規(guī)模的、短期有人照料的空間應(yīng)用問題。
第三步，建造空間站，解決有較大規(guī)模的、長(zhǎng)期有人照料的空間應(yīng)用問題。這就是中國(guó)空間站故事的起點(diǎn)。
載人航天“三步走”年底完成空間站建設(shè)
“三步走”中的“前兩步”均已實(shí)現(xiàn)。今年年底，中國(guó)載人航天工程將完成第三步：中國(guó)空間站的建設(shè)，這意味著“三步走”的發(fā)展戰(zhàn)略全部完成。從今天開始，《時(shí)空觀察》推出系列報(bào)道《中國(guó)空間站故事》，揭秘在中國(guó)空間站建造過程中，中國(guó)航天人攻堅(jiān)克難，鮮為人知的創(chuàng)新故事。
2020年5月5日，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭首飛成功，正式拉開我國(guó)載人航天工程“第三步”任務(wù)的序幕。《中國(guó)空間站故事》系列報(bào)道的開篇就要從長(zhǎng)征五號(hào)B說起。
將執(zhí)行“問天實(shí)驗(yàn)艙”發(fā)射任務(wù)
目前，正在太空運(yùn)行的空間站天和核心艙已經(jīng)迎來了三批航天員。此次執(zhí)行“問天”實(shí)驗(yàn)艙發(fā)射任務(wù)的，依然是我國(guó)空間站艙段的專用座駕——長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭。
我國(guó)首次進(jìn)行大推力火箭“零窗口”發(fā)射
“問天實(shí)驗(yàn)艙”發(fā)射任務(wù)，是我國(guó)首次進(jìn)行大推力火箭“零窗口”發(fā)射，剛才短片中大家看到的，就是此次發(fā)射任務(wù)的主要負(fù)責(zé)人，他們心中的擔(dān)心，這也引出了今天《時(shí)空觀察》的三個(gè)問題。
“零窗口”發(fā)射有多難？
如何應(yīng)對(duì)“零窗口”挑戰(zhàn)？
推力大 入軌難 高精度入軌難題如何解？
下面就讓我們走近中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)，去了解高精度發(fā)射背后的精心準(zhǔn)備，一起看看“零窗口”發(fā)射有多難↓↓↓
海南文昌：精心準(zhǔn)備 確保“零窗口”發(fā)射
走進(jìn)文昌航天發(fā)射場(chǎng)，垂直總裝測(cè)試廠房、指揮控制大樓、測(cè)控點(diǎn)號(hào)……處處可見航天工作者們忙碌身影，為了實(shí)現(xiàn)“零窗口”的高精度發(fā)射，他們精心準(zhǔn)備、精心組織、精心實(shí)施，確保分秒不差順利點(diǎn)火發(fā)射。
西昌衛(wèi)星發(fā)射中心總工程師 鐘文安：此次發(fā)射是長(zhǎng)5B火箭首次執(zhí)行交會(huì)對(duì)接任務(wù)，與核心艙交會(huì)對(duì)接需要零秒發(fā)射，發(fā)射時(shí)刻不能超過1秒。為提高射前應(yīng)急處置能力，我們還制定了一千多個(gè)預(yù)案，全部進(jìn)行了驗(yàn)證和演練，確保遇事沉著有預(yù)案。
為了瞄準(zhǔn)“零窗口”順利發(fā)射，他們科學(xué)統(tǒng)籌各方力量，按計(jì)劃完成了一號(hào)塔架射后恢復(fù)、產(chǎn)品進(jìn)場(chǎng)、垂直總裝和技術(shù)區(qū)測(cè)試等工作。
問天實(shí)驗(yàn)艙任務(wù)01指揮員 廖國(guó)瑞：著重加大實(shí)裝操作、合成訓(xùn)練、故障排查、應(yīng)急處置等訓(xùn)練力度，有效提升人員遂行任務(wù)能力，確保任務(wù)狀態(tài)受控、節(jié)點(diǎn)受控，確保發(fā)射任務(wù)圓滿成功。
長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭：空間站專用座駕 我國(guó)最強(qiáng)低軌運(yùn)載火箭
即將執(zhí)行發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征五號(hào)B火箭，是目前我國(guó)運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭，距離地面200到400公里低軌道的運(yùn)載能力達(dá)到25噸。此次是長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭執(zhí)行的第三次發(fā)射任務(wù)。2020年5月5日，長(zhǎng)征五號(hào)B首飛，將我國(guó)新一代載人飛船試驗(yàn)船成功送入預(yù)定軌道。2021年4月29日，長(zhǎng)征五號(hào)B遙二運(yùn)載火箭成功將空間站天和核心艙送入預(yù)定軌道，中國(guó)空間站在軌組裝建造全面展開。經(jīng)歷了兩次重大任務(wù)的洗禮與考驗(yàn)，此次長(zhǎng)征五號(hào)B又將把我國(guó)空間站的第二個(gè)艙段——問天實(shí)驗(yàn)艙送入太空。
作為我國(guó)運(yùn)載能力最大、系統(tǒng)最復(fù)雜的大型低溫運(yùn)載火箭，由它實(shí)現(xiàn)“零窗口”發(fā)射有多難？長(zhǎng)五B如何應(yīng)對(duì)“零窗口”挑戰(zhàn)？
挑戰(zhàn)首次“零窗口”發(fā)射 經(jīng)歷什么？
此前，我國(guó)的長(zhǎng)征二號(hào)F、長(zhǎng)征七號(hào)火箭已經(jīng)執(zhí)行過多次“零窗口”發(fā)射任務(wù)，可以說是駕輕就熟。然而對(duì)于長(zhǎng)征五號(hào)B這個(gè)大塊頭來說，這還是第一次。
西昌衛(wèi)星發(fā)射中心副主任 毛萬(wàn)標(biāo)：這次任務(wù)問天實(shí)驗(yàn)艙是要和天和核心艙進(jìn)行對(duì)接的，所以說它對(duì)發(fā)射的時(shí)間有非常嚴(yán)格的要求，主要是因?yàn)榻粫?huì)對(duì)接的一些需要。那么這次我們最大的挑戰(zhàn)是“零窗口”發(fā)射。技術(shù)的復(fù)雜性和難度以及應(yīng)急處置可能帶來的風(fēng)險(xiǎn)都非常巨大，這對(duì)我們提出了很大的挑戰(zhàn)。
此次長(zhǎng)五B火箭將要發(fā)射的“問天”實(shí)驗(yàn)艙是全世界現(xiàn)役在軌最重的單體航天器。為了發(fā)射它，長(zhǎng)征五號(hào)B配備了兩臺(tái)50噸級(jí)的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和8臺(tái)120噸級(jí)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，這些發(fā)動(dòng)機(jī)能夠?yàn)榛鸺峁┏^1000噸的起飛推力。要將問天實(shí)驗(yàn)艙準(zhǔn)時(shí)送到指定的軌道位置上，首先需要為它設(shè)計(jì)一條飛行彈道。
航天科技集團(tuán)一院總體部火箭彈道設(shè)計(jì)組組長(zhǎng) 劉銀：火箭彈道設(shè)計(jì)，就是說我把火箭用一種最優(yōu)路徑，能把有效載荷能送入到它所預(yù)想的那條軌道上去，來滿足它的整個(gè)空間軌道要求。
給長(zhǎng)五B火箭設(shè)計(jì)的這條彈道，是一條最理想的飛行路線，燃料消耗最少，入軌精度最高。然而，想要完美實(shí)現(xiàn)這條“理想”彈道，卻存在大量難題。
首先，交會(huì)對(duì)接任務(wù)就像移動(dòng)打靶，太空里的軌道位置已經(jīng)確定，但是地球在不停地自轉(zhuǎn)，火箭的位置也在不停地發(fā)生變化。經(jīng)過嚴(yán)密計(jì)算，只有在某一時(shí)刻發(fā)射升空，火箭才能按照這條“最優(yōu)路徑”飛行，實(shí)現(xiàn)高精度的“移動(dòng)打靶”。這就意味著發(fā)射前的準(zhǔn)備流程就必須得分毫不差。對(duì)于長(zhǎng)征五號(hào)B這款可以說是系統(tǒng)最為復(fù)雜的火箭來說，難度可想而知。
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師 黃兵：因?yàn)樗牡蜏赝七M(jìn)劑的使用比較大，氫氧（推進(jìn)劑）的規(guī)模比較大，那么這種深低溫推進(jìn)劑的使用往往是我們系統(tǒng)里面最擔(dān)心的一個(gè)事情，也是引發(fā)故障概率比較大的一個(gè)地方。
讓黃兵最擔(dān)心的，就是火箭所使用的低溫推進(jìn)劑。長(zhǎng)征五號(hào)B使用的推進(jìn)劑，主要是由零下253度的液氫和零下183度的液氧組成。盡管海南文昌發(fā)射場(chǎng)天氣炎熱，但在以往的發(fā)射任務(wù)中，在發(fā)射塔架和火箭之間的管路和鏈接器上，會(huì)出現(xiàn)一層厚達(dá)2到3厘米的冰將它們牢牢凍住。按照發(fā)射流程，這些管路和連接器只能在火箭點(diǎn)火前幾分鐘時(shí)才可以脫落。萬(wàn)一被凍得太死，那就意味著連接器無(wú)法準(zhǔn)時(shí)脫落，“零窗口”發(fā)射就無(wú)法實(shí)現(xiàn)。
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)系列火箭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師 王聰：上一發(fā)（長(zhǎng)五B）遙二的時(shí)候，我們的送氫的管子它凍住了，不脫落，瞬間沒有脫落，我們就再發(fā)脫的指令，再嘗試脫落，于是它又脫下來了，這個(gè)時(shí)候其實(shí)它都有時(shí)間的損失了。
為了徹底解決這個(gè)問題，研制團(tuán)隊(duì)通過對(duì)多種方案、上百次試驗(yàn)驗(yàn)證，通過改變破冰方式，減小了連接器的解脫阻力，大大提升了低溫連接器脫落可靠性。然而，即便是射前工作全部準(zhǔn)備到位，火箭能夠準(zhǔn)時(shí)點(diǎn)火發(fā)射，但是想要精確入軌，卻也依然困難重重。
航天科技集團(tuán)一院總體部火箭彈道設(shè)計(jì)組副組長(zhǎng) 張志國(guó)：火箭發(fā)射衛(wèi)星如果入軌的話，首先要達(dá)到第一宇宙速度，要到7公里（每秒）以上的一個(gè)速度的量級(jí)。如果這么高的速度的情況下，可能你的任何一個(gè)微小的偏差都會(huì)造成你的位置很大的一個(gè)偏差。
推力大 入軌難 高精度入軌難題如何解？
在航天發(fā)射中，任何一個(gè)小的干擾，都會(huì)帶來巨大影響，地面差之毫厘，太空失之千里。長(zhǎng)征五號(hào)B作為我國(guó)運(yùn)載能力最強(qiáng)的火箭，采用了我國(guó)自主研制的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。然而，正是因?yàn)榘l(fā)動(dòng)機(jī)的推力大，給長(zhǎng)五B的高精度入軌帶來了新的難題。推力大入軌難，高精度入軌難題如何解呢？
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師 黃兵：這么大推力的一個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)，完成關(guān)機(jī)點(diǎn)火，還要把它準(zhǔn)確放到你想要的那個(gè)位置上，而且你稍微偏一點(diǎn)可能就對(duì)后面的交會(huì)對(duì)接就形成很大的一個(gè)壓力，那么實(shí)際上怎么來控制？這是一個(gè)非常大的難點(diǎn)。
長(zhǎng)五B火箭在與問天實(shí)驗(yàn)艙分離前，需要不斷調(diào)整自己的姿態(tài)，來保證實(shí)驗(yàn)艙能夠準(zhǔn)確朝著目標(biāo)軌道飛行。正是由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力太大，讓火箭的姿態(tài)控制變得更為困難。
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)B火箭姿控系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師 張宇：比如說像其他的火箭，我們末級(jí)會(huì)有那種小的姿控噴管，它的推力很小，用推力很小的東西來控制姿態(tài)，精度就會(huì)很高。你用一個(gè)很大的東西來控制它的時(shí)候，這個(gè)可以想象精度就沒有那么高，難度就出來了。
要解決這個(gè)問題，就必須精準(zhǔn)掌握發(fā)動(dòng)機(jī)的狀態(tài)。為此，研制團(tuán)隊(duì)進(jìn)行了大量的地面試驗(yàn)和仿真驗(yàn)證，并對(duì)此前的歷史發(fā)射數(shù)據(jù)進(jìn)行比對(duì)分析，最終得出了發(fā)動(dòng)機(jī)姿態(tài)控制的最佳方案。
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)B火箭姿控系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師 張宇：發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)到空間站（實(shí)驗(yàn)艙）的分離，我們還有5秒多的時(shí)間，我們實(shí)時(shí)測(cè)得它的姿態(tài)，對(duì)參數(shù)進(jìn)行了一個(gè)特別細(xì)微的調(diào)整，來進(jìn)行最后的偏差控制，提高分離時(shí)候的姿態(tài)精度。
解決了姿態(tài)控制問題，并不代表著萬(wàn)事大吉。火箭與實(shí)驗(yàn)艙何時(shí)分離，也是另一個(gè)棘手的問題?；鸺谧詈箅A段的飛行速度大約是每秒7.8公里，這也就意味著，晚一秒分離，實(shí)驗(yàn)艙就將多飛出7.8公里，精確入軌的目標(biāo)就將化為泡影。因此，分離的時(shí)機(jī)就必須把握在毫秒之間。
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)系列火箭控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)師 王聰：每一秒它就會(huì)走7800米，每一毫秒就七八米。你要入軌，它是對(duì)速度位置是有一個(gè)嚴(yán)格的要求的。發(fā)出這個(gè)關(guān)機(jī)的指令要準(zhǔn)確，本來20毫秒控制一次，在那就變成一毫秒控制一次。
科研人員為火箭設(shè)計(jì)的控制系統(tǒng)，在最后關(guān)頭，能夠自主檢測(cè)箭體每一毫秒的速度和位置變化，在最佳時(shí)機(jī)的千分之一秒內(nèi)發(fā)出關(guān)機(jī)指令，從而使火箭與問天實(shí)驗(yàn)艙完美分離。
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭副總設(shè)計(jì)師 黃兵：實(shí)際上在我們的長(zhǎng)五B遙一的發(fā)射上都已經(jīng)得到了驗(yàn)證，對(duì)整個(gè)的分離過程和入軌的一個(gè)精度都是滿足我們的要求。
7月20日，長(zhǎng)征五號(hào)B遙三運(yùn)載火箭迎來了它發(fā)射前的最后一次模擬發(fā)射演練，密集的口令在測(cè)控大廳里此起彼伏。
航天科技集團(tuán)一院長(zhǎng)征五號(hào)B火箭副主任設(shè)計(jì)師 劉秉：整個(gè)過程大概有400個(gè)左右的口令，火箭準(zhǔn)備狀態(tài)良好，通過今天最后一次全系統(tǒng)合練，檢驗(yàn)了火箭在發(fā)射區(qū)的待發(fā)狀態(tài)，都是滿足任務(wù)要求的。
“零窗口”發(fā)射背后
就在昨天（7月22日），問天實(shí)驗(yàn)艙完成發(fā)射前全區(qū)合練。目前，各系統(tǒng)已經(jīng)做好了發(fā)射前的準(zhǔn)備工作。不斷突破，勇于創(chuàng)新。在長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭的研制過程中，中國(guó)航天人還突破了大直徑艙箭分離、大推力直接入軌等一系列新技術(shù)，使得長(zhǎng)征五號(hào)B火箭的入軌精度達(dá)到米級(jí)，從而保證問天實(shí)驗(yàn)艙能夠準(zhǔn)時(shí)準(zhǔn)點(diǎn)抵達(dá)目標(biāo)軌道，與空間站核心艙順利完成交會(huì)對(duì)接。
標(biāo)簽： 中國(guó)空間站
