三十颗西安心助“胖五”一飞冲天 - 新闻导读 - 今日资讯

三十颗西安心助“胖五”一飞冲天

来源:新华网 作者:关颖  浏览次数:220  时间:2019-12-28 17:46:45

12月27日20时45分,在中国文昌航天发射场,被称为“胖五”的长征五号遥三运载火箭,成功踏上太空征程。而地处西安航天基地、有着中国航天液体动力 “国家队”之称的中国航天科技集团有限公司第六研究院,为火箭提供了30颗“西安心”。

火箭的发动机被称为火箭的“心脏”。在“长五遥三”火箭上,此次共有30台发动机,担负着不同的使命。分别是8台120吨级液氧煤油发动机、2台50吨级氢氧发动机、2台9吨级膨胀循环发动机,18台作为辅助动力的姿控发动机。每一台产品都必须做到万无一失,稳妥可靠。

8台120吨级液氧煤油发动机,承担着火箭起飞90%的总推力,它的产品质量与可靠性,对于确保“长五遥三”火箭发射至关重要。为了使液氧煤油发动机试验质量可靠性迈上一个崭新台阶,在时间紧,任务重,难度大的情况下,六院165所液氧煤油发动机试验区参试团队总结经验、创新思维,通过梳理工艺、测控系统的设备状态、工艺状态和试验流程,增强试验系统薄弱环节和风险分析与控制措施,固化试验系统状态和流程,建立试验系统技术状态基线等措施,不仅缩短了发动机试车准备时间,提高了试车工作效率,而且进一步提升了试验质量管理水平,提高了试验可靠性。

氢氧发动机之于“长五遥三”火箭,到底是怎样意义的存在呢?用一个简单的比喻,如果把常规火箭和“长五遥三”火箭比作两辆车,在携带同样的行李行驶同样的路程时,前者自重需要1000吨,而后者自重只要约600吨。走相同的路,做相同的事,只需要近乎原来一半的“干粮”,液氢液氧为火箭带来了高性能。

作为长征五号火箭四型动力之一的辅助动力系统中的18台姿控发动机,它们主要负责火箭二级发动机滑行阶段的推进剂沉底管理、姿态控制和星箭分离前的末速修正。

什么叫沉底?太空中没有重力,火箭箱体中的液氢和液氧是以悬浮状态存在。为了让液氢和液氧享受强大的“推背感”,使其贴合在火箭箱体底部,进而可实现膨胀循环氢氧发动机的二次起动,就需要被技术人员叫作“大沉底”“小沉底”的4台300N发动机和2台60N发动机来发挥作用。

对于火箭的俯仰、偏航和滚转等姿态的控制,就好比人在游泳时,上下浮沉、左右摆头和左右翻转这三个动作。前两个动作分别由4台300N发动机完成,滚转则由4台150N发动机完成。在星箭分离前,负责沉底管理的4台300N发动机还会为火箭再次加速,让卫星与箭体分离时具备一个合适的初始速度,以便后续精准入轨。

这些发动机有多大,形象地说,300N、150N和60N发动机就分别像1000ml、500ml和300ml容量的水杯大小,成人用单手就用抓住。这些小小的发动机,工作时间累计2000秒,工作累计数百次,它们不仅要承受液氢液氧的低温环境和膨胀循环发动机工作时的热流环境,还有着-30℃环境下的推力室起动能力,如此,才有了火箭精准细微的姿态变化。

看点1

“胖五”强大“西安心”如何造就

本报讯 2017年“长五遥二”火箭发射失利,两年多的时间里,航天科技集团六院顶住巨大的压力,攻坚克难,不断提升发动机的可靠性,撑起了“长五遥三”火箭的强大动力。

“新研并生产装配8台发动机,试车时间近1万4千秒”,这是2017年7月长五遥二火箭失利至今,为提升大推力氢氧发动机可靠性产生的一组数据。据介绍,大推力氢氧发动机自2001年开展专项研制的13年时间里,新研制发动机16台,热试车3万多秒。在技术提升的短短两年多时间里,完成了之前13年工作量的一半。这离不开研发团队的高要求,对故障分析及可靠性提升所做的努力,最终都要在产品上得到验证。为保证能够交付最优的产品,必须在全流程上进行把关控制,不漏疑点。

同时,液氧煤油发动机研制团队从设计的正确性、工艺的合理性、试验充分性及产品实物质量控制方面复查产品质量的落实情况,全面梳理了影响成败、功能的故障模式所涉及的设计特性。在创新上下狠功夫,让液氧煤油发动机的可靠性得到不断提升。

两年多来,发动机相关问题严格按照航天科技集团归零“双五条”标准,完成问题归零,先后组织了百余次故障分析会及专题会,对于故障分析情况进行严格把关,25位院士及5位大学教授作为特邀专家,听取发动机研制工作情况,提出意见建议。系统内的近60位领导专家也参与到交流讨论中。

为保证产品技术状态的一致性,要求工厂生产现场使用的设计文件、工艺文件、质量文件,必须签署完整,文文一致、文实相符、图文清晰、现行有效,确保文、图、物一致,符合使用要求。发动机出厂前组织设计师对技术文件进行对标清理,根据梳理结果,组织进行专题评审。这一系列的举措,让发动机可靠性得到不断提升,为“长五遥三”火箭提供了稳定可靠的动力保证。

看点2

盘点实践二十号卫星上的西安科技

实践二十号卫星是我国推动航天新技术和新平台发展再上新台阶的又一块重要“试验田”。在这块航天高科技的“试验田”里,航天科技五院西安分院培育了代表我国高通量卫星未来发展方向的Q/V载荷,“种植”了能够实现星间、星地更大容量卫星通信的“激光终端”,还栽培了能够实现通信资源灵活分配的“宽带柔性转发器”。

Q/V载荷

高通量通信卫星(High Throughput Satellite,简称HTS)是我国通信卫星未来发展的重要方向。使用Q/V载荷的高通量卫星以及超高通量卫星将可以大大地提高在偏远地方实现宽带互联网的能力,并且更为高效、成本更低。

实践二十号卫星副总设计师周颖表示,实践二十号卫星通过Q/V载荷则能达到40Gbps容量,相当于建设了四个传统卫星地面关口站。

激光终端

航天科技五院西安分院研制的激光终端,将作为激光通信的主体通过激光传输实现星地和星间通信。激光通信是未来地面超大容量关口站实现的主要途径,也是未来建设天基信息网络中星间通信的主力。

宽带柔性转发器

航天科技五院西安分院为实践二十号卫星所研制的宽带柔性转发器,在国际上也属难度较大的载荷产品,代表着一个国家星载数字透明处理的最高水平。卫星通过宽带柔性转发可以将频率资源进行详细划分,并且通过在轨网络管理实现多用户的灵活使用,提升星上通信资源的使用效率。

高精度应答机

航天科技五院西安分院为该卫星研制的高精度应答机将对卫星的测控精度由以前的几十米提高到厘米级,实现了对卫星测控质的飞跃。

卫星天线

航天科技五院西安分院的“空间天线大咖”们为了实现卫星的复杂功能,在卫星舱板上安装了三重叠的三副天线,三副天线在收拢后共用一个安装面,不仅缩短了反射器尺寸,加大焦距,还节省空间。

看点3

“胖五”成功发射

有赖两件“法宝”

在长征五号遥三火箭成功发射的背后,位于西安的中国航天科技集团有限公司第四研究院有两件神秘的“法宝”——正推火箭和消氢点火装置,为成功发射提供了保障。

正推火箭是火箭飞行过程中为实现芯一级、芯二级可靠分离而研制的分离发动机,为级间分离提供动力的装置。火箭芯一级工作结束后,正推火箭接到分离指令,开始点火工作,此时,发动机产生推力实现芯二级液体推进剂沉底,确保火箭按照预定程序完成任务。

由航天科技四院41所研制的正推火箭兼具固体发动机和火工品的双重特性,其工作时间长,可靠性要求高,环境条件极其苛刻,是目前运载火箭箭体使用的最大火工品。发动机固体动力推进剂,采用新型配方材料,具备低燃速、低残渣的特点,能够确保发动机产生强大推力的同时,不对火箭芯二级箭体产生损伤,而且比同类发动机更加绿色环保。为确保火箭质量,航天科技四院开展了大量质量复查工作,对4台正推火箭进行了产品检查确认及零部件更换工作,并完成了全级次供应商统计梳理。为确保“正推火箭”稳定、可靠工作,固体动力源添加了新型功能助剂,并通过大量的配方优化试验,不断提高推进剂的稳定性和燃速控制精度,进而提升了发动机工作的同步性和一致性。

长征五号运载火箭采用氢氧发动机,在点火前会向发射平台周围环境排放大量低温氢气。当氢气与空气混合浓度达到一定范围时,遇到静电或明火就会产生爆炸或爆轰,不仅损坏发射场的设备和设施,甚至会导致星箭俱毁的严重后果。为消除火箭发射前的大量低温氢气,彻底排除发射前的安全隐患,航天科技四院42所专门研制了消氢点火装置。

该装置安装在发射平台上,能在火箭氢氧发动机工作前的2~3秒内,点燃火箭发射的“第一把火”,利用喷射的高温、高速燃气金属粒子流,将发射前排出的大量氢气在其未达到可爆炸最低浓度前先行消除,以保证运载火箭发射的安全性。该装置采用了高安全性的药剂材料,应用了先进的控制技术,确保能够“准确、准时”点火,待消除氢气后又能及时“熄火”。

看点4

“胖五”“最强大脑”

也是西安造

长征五号遥三火箭发射任务中,位于西安的中国航天科技集团有限公司九院771所配套研制的箭上和地面整机产品共计7种、14台/套,担任了研制火箭发射“最强大脑”的任务。

箭载计算机是火箭控制和精确入轨的关键保证。此次,长征五号遥三火箭控制系统采用1条双通道1553B总线实现火箭的实时控制和信息综合,箭载计算机作为1553B总线的总线控制BC端,享有总线控制权,其他设备作为远程站点运行。为有效控制长征五号遥三火箭内部这条“双车道高速公路”,保证信息传输的畅通,箭载计算机内部设计有三套1553B总线控制电路,利用三中取二表决机制实现BC权在三套总线控制电路中的切换,即使在一度故障的情况下,箭载计算机仍可完成火箭的实时控制和信息综合。

此次,在箭载计算机内部还设计了特有的“听诊器”,能够自动“监听”飞行控制软件运行过程中的各类重要参数,并将参数自动组帧下传至地面测发控系统存储。这套“听诊”装置,称之为总线监控技术。该技术可以使控制系统在不修改飞行程序控制流程的情况下,获得更多的执行过程原始数据,及时、有效地发现系统中存在的隐患,为系统的故障定位提供判定依据。

为了确保安全,此次发射任务专门建立了地面测试控制系统,对火箭进行发射前的“体检”和发射过程中的检测。771所研制的地面测试计算机、光纤惯组信号采集处理系统等地面单元测试计算机,用于对火箭控制设备进行实时测试。形象地说,各种地面计算机就如同医院派出的门诊专家,对火箭的“大脑”“心脏”等关键部位进行实时监控,实时分析数据并反馈给系统。

在火箭发射前,地面测试计算机及时检测箭上设备的状态,确认火箭发射前一切状态正常,保证火箭发射后进入轨道飞行前,准确采集火箭姿态等信息,实时计算、处理、传递和执行各种指令,使火箭按照规定轨迹飞行,实现准确入轨。光纤速率陀螺如同人的“小脑”,主要用来表征火箭方向和姿态,其准确度与火箭入轨精度紧密相关。

新闻背景

“胖五”为何被称为

中国“最强火箭”?

12月27日,中国文昌航天发射场。被称为“胖五”的中国“最强火箭”长征五号迎来重生时刻,圆满完成第三次发射任务。

长征五号是我国目前起飞规模最大、运载能力最强、技术跨度最大的一型运载火箭,实现液体运载火箭直径由3.35米至5米的跨越。“胖五”身高约57米,起飞重量约870吨,它使我国现役火箭的运载能力提升2.5倍,可一次将16辆小汽车的重量送入太空。有了它,还能把更大更重的飞行器送到深远的太空。

中国航天科技集团长征五号火箭总设计师李东说:“它是中国迈向航天强国的入场券。”

中国航天科技集团一院院长王小军告诉记者,长征五号未来肩负着开展载人航天空间站建设、月球采样返回、火星探测等多项重大航天工程任务,是中国航天名副其实的“梦想号”。

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