 改進(jìn)型長二F火箭 海晗/CFP
伴隨著我國載人航天工程空間交會(huì)對(duì)接任務(wù)大幕的拉開，承擔(dān)將天宮一號(hào)目標(biāo)飛行器送入太空的改進(jìn)型長二F火箭成了社會(huì)廣泛關(guān)注的焦點(diǎn)。
3年前的金秋時(shí)節(jié)，弱水河畔，中國航天史上技術(shù)最復(fù)雜、可靠性和安全性指標(biāo)最高的火箭——長征二號(hào)F運(yùn)載火箭一飛沖天，成功托舉神舟七號(hào)飛船上天，令世界矚目。
而今天的長征二號(hào)FT1，從外到內(nèi)又是煥然一新，在運(yùn)載能力和入軌精度上均有很大提高，航天人早已將其定義：“這完全是一枚全新的火箭。”
與之前相比，改進(jìn)型長二F火箭有什么新變化、新突破？帶著疑問，記者走訪了中國航天科技集團(tuán)公司一院運(yùn)載火箭系統(tǒng)的相關(guān)專家，試圖揭開長征二號(hào)FT1火箭的神秘面紗。
“皇冠”用上馮·卡門曲線
在發(fā)射“天宮一號(hào)”時(shí)，火箭外形上的最大變化是整流罩。整流罩位于火箭頂端，有著火箭的“皇冠”之稱。
火箭升空前，整流罩在地面保護(hù)飛船或衛(wèi)星，保證飛船或衛(wèi)星對(duì)溫度、濕度、潔凈度的要求。而在火箭升空穿過大氣層時(shí)，整流罩可以使飛船或衛(wèi)星免受氣動(dòng)力和氣動(dòng)熱損傷。其在整個(gè)火箭系統(tǒng)中的重要性不言而喻。
中國航天科技集團(tuán)公司一院改進(jìn)型長二F火箭總設(shè)計(jì)師荊木春介紹說，長征二號(hào)FT1火箭具有發(fā)射目標(biāo)飛行器和飛船的兩個(gè)狀態(tài)，運(yùn)載能力分別為8.6噸和8.1噸，比傳統(tǒng)狀態(tài)的“長二F”提高了0.6噸和0.1噸。由于目標(biāo)飛行器不載人，發(fā)射這一狀態(tài)的“長二F”火箭取消了逃逸塔裝置。
天宮一號(hào)的整流罩不僅長度由先前的10.7米增至12.7米，最大直徑也由先前的3.8米增至4.2米，而且頭部還采用了流線式的馮·卡門曲線。這也是最吸引公眾眼球的重大變化。
馮·卡門是美國工程力學(xué)大師、航天技術(shù)理論的開拓者，也是我國航天之父錢學(xué)森的老師。馮·卡門曲線，便是基于他的研究成果而畫出的曲線。
據(jù)荊木春介紹，整流罩的增大加長，與天宮一號(hào)的體積密切相關(guān)，因?yàn)樘鞂m一號(hào)比神舟飛船的體積大。而整流罩頭部設(shè)計(jì)采用馮·卡門曲線的意義就在于，該技術(shù)減少了火箭飛行過程中的阻力干擾，減少了火箭飛行過程中對(duì)天宮一號(hào)的顛簸，降低了飛行器可能在飛行過程中的受損幾率。
然而，馮·卡門曲線整流罩的生產(chǎn)，卻非易事，具有很高的技術(shù)難度。荊木春說：“與以前不同，馮·卡門曲線頭部展開之后并不是一個(gè)平面，涉及很多復(fù)雜的加工工藝以及材料成型的問題。”
長征二號(hào)FT1研制團(tuán)隊(duì)在進(jìn)行一系列艱苦的工藝攻關(guān)、論證后，才最終將采用馮·卡門曲線的整流罩從理論變成現(xiàn)實(shí)。
除了整流罩的外形變化，火箭箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的助推器的內(nèi)部頂端形狀也發(fā)生了變化，由原來的橢球型變成錐形。“這樣做可以承載更多推進(jìn)劑，使火箭的運(yùn)載能力提高100多公斤。這對(duì)載人航天工程有著不小的貢獻(xiàn)。”荊木春說。
火箭換上新“大腦”
“任何一發(fā)火箭在點(diǎn)火升空之后，之所以能夠按照預(yù)定軌跡飛行，并且最終能夠精確地將目標(biāo)送入預(yù)定軌道，主要是靠火箭的控制系統(tǒng)來完成整個(gè)過程。因此，如果將發(fā)動(dòng)機(jī)比喻為火箭的‘心臟’，那控制系統(tǒng)則起著類似人體‘神經(jīng)中樞’的作用。”中國航天科技集團(tuán)公司一院長征二號(hào)FT1火箭副總設(shè)計(jì)師宋征宇說。
據(jù)宋征宇介紹，這枚長征二號(hào)FT1火箭的控制系統(tǒng)是個(gè)全新的系統(tǒng)，與發(fā)射“神七”的“長二F”相比，使用的方案、原理、具體設(shè)備、軟硬件等方面都發(fā)生了很大變化。“相當(dāng)于給火箭置換了一個(gè)全新的‘神經(jīng)系統(tǒng)’。”宋征宇笑稱。
在控制系統(tǒng)所發(fā)生的這些變化中，制導(dǎo)方式首次由原來的攝動(dòng)制導(dǎo)改為迭代制導(dǎo)，這無疑是其中的亮點(diǎn)。
宋征宇對(duì)此解釋，攝動(dòng)制導(dǎo)主要是讓火箭按照標(biāo)準(zhǔn)彈道飛行。迭代制導(dǎo)則是隨著現(xiàn)代計(jì)算機(jī)技術(shù)和最優(yōu)控制理論發(fā)展而出現(xiàn)的一種自適應(yīng)制導(dǎo)技術(shù)，是根據(jù)火箭當(dāng)前的速度、位置以及預(yù)估的入軌點(diǎn)，不斷調(diào)整自己的飛行軌跡。
“打個(gè)比方說，家住五環(huán)路，工作單位在三環(huán)路。攝動(dòng)制導(dǎo)給你規(guī)定好了具體路徑，而迭代制導(dǎo)只是告訴你目的地，并不限制具體路徑。”火箭總設(shè)計(jì)師荊木春曾經(jīng)形象地比喻道。
“采用迭代制導(dǎo)以后，火箭不僅入軌精度提高了一個(gè)量級(jí)，而且在飛行過程中對(duì)外界干擾的適應(yīng)能力增強(qiáng)了。高的入軌精度可以調(diào)整飛船自身調(diào)整軌道的工作，從而節(jié)省了燃料，提升了運(yùn)載能力，可以搭載更多的有效載荷來進(jìn)行相關(guān)的科學(xué)實(shí)驗(yàn)，延長使用壽命。”宋征宇說。
事實(shí)上，在多達(dá)170多項(xiàng)的火箭系統(tǒng)技術(shù)變化中，重要變化遠(yuǎn)不止這些。“長二F”火箭研制團(tuán)隊(duì)還對(duì)動(dòng)力系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)和故障檢測系統(tǒng)等采取了一系列措施，不斷提高火箭的可靠性。
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