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    98%!探寻“金牌火箭”高成功率奥秘

    文章来源:中国航天科技集团有限公司    发布时间:2019-04-30

    4月20日22时41分,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭将北斗卫星导航系统第44颗卫星(北斗三号IGSO—1卫星)成功送入预定轨道。

    这是长征三号甲系列运载火箭的第100次发射,创造了我国单一系列运载火箭发射次数的新纪录。

    长征三号甲运载火箭与长征三号乙、长征三号丙,共同组成长征三号甲系列运载火箭(简称长三甲系列火箭)。

    从1994年2月8日长三甲火箭首飞成功,到2019年4月20日长三甲系列火箭实现100次发射,该系列火箭发射成功率高达98%。

    从最初一年发射1次,到今年预计发射13次,长三甲系列火箭已成为中国航天高密度发射的代表。

    发射成功后,长三甲系列火箭首任总设计师兼总指挥龙乐豪难掩激动,他用“长征娇子创新担大任”总结了长三甲系列火箭在过去25年间的发展历程。

    他说:“在长征系列火箭中,不论是从设计之初的顶层规划及总体技术方案的前瞻性、全局性、适应性,还是从技术先进性,以及所承担任务的重要性方面来说,长三甲系列火箭都是当之无愧的佼佼者。”

    从“0”到“1”,从“1”到“100”,航天科技集团一院长三甲系列火箭总设计师姜杰认为,这是一个从无到有、从适应性过程到高适应过程的具有历史意义的时期。

    她深情地说:“100 次不仅是一个数字,而是见证了长三甲系列火箭的研制技术从薄弱到先进,更见证了长三甲系列火箭一代又一代研究人员为发展祖国航天事业不断创新、不断进取、不断开拓的奋斗历程。

    100次发射的背后,“金牌火箭”是怎样一次次挑战自我、创造奇迹的?记者就此采访了相关专家。

    高成功率背后的秘诀——关键技术先进可靠

    可靠性工作是型号研制发展的基石,在当前火箭组批生产和高密度发射的成功中发挥了至关重要的作用。目前,长三甲系列火箭飞行可靠性指标已从研制早期的0.92提高到了0.95的水平。

    看到长三甲系列火箭可靠性明显提升,姜杰深有感触。她说,长三甲系列火箭如今取得较高的发射成功率,与不断总结经验教训、改进技术有很大关系。

    1996年2月15日,长三乙火箭首飞遭遇重大失利,火箭起飞22秒后撞在附近的山头上,星箭俱毁,原因是一个元器件虚接,导致控制整个火箭的惯性平台失效,火箭按照错误的姿态信号进行姿态纠正,最终坠毁。

    姜杰回忆起当时的情景心情依然十分沉重。失利后,研制团队并没有气馁,短时间内围绕设计、生产、产品控制、研制管理等工作进行了全面复查,完成了12类、122项试验,提出44项、256条改进措施,从而确保了后续飞行试验成功,也由此衍生出了航天特有的“双五条归零”管理方法。也就是从那时开始,加强火箭可靠性的管控措施一直延续到了今天。

    航天具有高风险特征,这对航天人的洞察力和创造力提出了更高的要求。经过不断研究,当前长三甲系列火箭适应能力强,入轨精度达到世界一流水平。

    姜杰介绍,北斗导航卫星对执行其发射的火箭要求非常高。长三甲系列火箭最初接到北斗发射任务时,仅具备地球静止轨道卫星发射能力。为满足任务需要,研制团队不断创新技术,使火箭具备了发射中圆地球轨道卫星和倾斜地球同步轨道卫星能力,开创了我国一箭双星发射高轨道卫星的先例。

    据统计,执行发射北斗卫星任务期间,长三甲系列火箭共进行了403项技术改进,平均每枚火箭28项,其中单枚最高达43项。

    为使系列火箭的总体技术性能达到国际一流水平,设计人员在继承成熟技术的同时,也在设计中采用了60%-70%的新技术。其中较重要的共108项,重要技术创新项目22项,重大关键技术项目4项。

    高可靠性背后的秘诀——关键系统成熟稳定

    长三甲系列火箭包揽了目前我国几乎所有高轨道航天器的发射任务,是长征系列运载火箭高强密度发射的“主力军”,是我国目前发射高轨航天器次数最多、成功率最高的火箭系列。

    推进剂混搭成就世界一流氢氧发动机系统

    这样的成绩来之不易。作为火箭的心脏,发动机为运载火箭的腾飞提供了澎湃动力。同时,发动机技术的先进性对于火箭运载能力有着至关重要的作用。

    龙乐豪介绍,从推进技术来说,长三甲系列火箭的三子级采用液氢/液氧推进剂,环保无污染,技术难度大,因此它站在世界火箭第一梯队,火箭三子级的比推力在当时也是世界一流的。

    所谓比推力,就是火箭在单位时间内消耗单位推进剂所产生的推力。“在长三甲火箭研制之初,就确定了“上改下捆”的研制思路,火箭的三子级采用YF-75氢氧发动机和3米直径的低温贮箱,增加捆绑助推器。”长三甲系列火箭总体主任设计师胡炜说,“就是这个创新性的设计思路,决定了长三甲系列火箭既能发挥常规推进剂发动机的大推力优势,又可以发挥末级氢氧发动机的高比冲优势,使得它在执行任务中显得游刃有余。”

    胡炜介绍:“液体火箭发动机是一种服役期很长的动力装置,除了精心设计、精心制造、充分试验、严格验收外,飞行阶段也要不断提高可靠性,这是发动机在使用阶段的普遍规律。”

    谈话中,胡炜提到了一次保障可靠性的故障处理。2018年春节前夕,长三乙火箭承担北斗三号第三次全球组网的发射任务。1月的一天,后方发现火箭三级发动机上测试金属软管的同批次产品存在隐患,根据航天质量管理“举一反三”的相关要求,火箭发射试验队接到通知,要求更换三级发动机测试金属软管,提高产品的可靠性,确保火箭不带隐患上天。最终,在有限的时间里,技术人员一气呵成更换了火箭关键部件,保证了火箭的发射成功。

    控制系统入轨精度可达“十环”

    火箭怎么飞,往哪飞,如何能沿着预定轨道顺利飞行,这由控制系统决定。控制系统就像火箭的神经系统,控制系统指令的准确性是火箭成功发射的重要一环,而控制技术的先进性则是火箭稳定性的保证。

    技术创新是长三甲系列运载火箭的优良传统。上世纪90年代,长三甲火箭研制成功后,进入了工程应用阶段。为了提高火箭可靠性,1998年前后,火箭研制团队开始进行控制系统级冗余重大专项研制。

    经过8年多的艰苦努力,2006年,以平台加激光惯组主从冗余为代表的控制系统级冗余技术在长三甲火箭上率先成功应用。

    控制系统级冗余技术的成功研制应用,大大提高了火箭飞行可靠性。时任火箭控制系统技术负责人的姜杰告诉记者,为进一步提高火箭的飞行可靠性和入轨精度,团队又在此基础上开展了双激光惯组加卫星导航复合制导技术的研制和应用。

    在此过程中,姜杰和她的团队开展了成百上千项攻关试验,解决了数以百计的技术难题。功夫不负有心人,从长三甲系列型号开创先河以来,目前的长征系列火箭几乎都开展了冗余控制系统的设计应用。

    长三甲系列火箭控制系统主任设计师韩峰是这个团队的年轻骨干,对于型号任务的高标准、高要求,韩峰十分认可。他说:“火箭发射成功的机会只有一次,为了确保100%成功,必须提高可靠性,让火箭的性能更稳定。”

    为此,他们会提前在地面做上万次飞行模拟仿真,也就是说,在火箭真正点火起飞之前,它已在技术人员的电脑里飞行了上万次。

    25年来,火箭控制系统技术在不断创新。

    目前,长三甲系列火箭的控制能力和入轨精度都得到了大幅提升。发射嫦娥四号时,探测器在远地点42万公里的地月转移轨道上正中靶心,如果把火箭发射比作“打靶”,这就意味着打出了一个真正意义上的“十环”。

    高密度发射水平的秘诀——先进模式应对挑战

    纵观长三甲系列火箭的100次发射,前50次用了18年,后50次发射仅用时7年。2018年,长三甲系列火箭共执行14次发射任务,创造了中国航天单一型号年度发射次数最多纪录,预计今年还将发射13次。

    “近年来,北斗工程从一期到三期,探月工程从嫦娥一号到嫦娥四号全部由长三甲系列运载火箭实施发射,目前共将 44颗北斗导航卫星、4颗嫦娥探测器成功送入预定轨道。”长三甲系列火箭总指挥岑拯说。

    从岑拯的介绍中,记者得知,高密度的发射任务对长三甲系列火箭是一个挑战,也是一个机遇。

    如何抓住机遇,迎接挑战?按照目前发射计划,平均26天一次发射,一枚火箭总装时间仅40天左右,且多枚火箭总装工作并行开展。面对空前高密度发射挑战和人员设备紧张的局面,“去任务化”这一概念应运而生。

    事实上,自长三甲系列火箭诞生之日起,就承担着我国火箭探索系列化、通用化、组合化发展模式的重任。

    岑拯说,研制队伍希望能够实现同一种构型的火箭在单机、系统甚至箭上互相通用,从而让火箭与不同任务自由搭配、即“去任务化”,就像批量生产的汽车可以匹配任何司机,这样火箭研制生产就可以先行一步,不被任务掣肘,更易于质量管控。

    目前,长三甲系列火箭研制团队正在逐步推进火箭“产品化”进程,对现有型号研制生产管理模式进行调整,逐渐形成“流水线”生产总装方式。通过一次次的创新完善,长三甲系列火箭研制团队正以更加成熟自信的姿态不断前行,书写中国航天发展史上的新传奇。

    【责任编辑:李巨尧】

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