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“长七”成功送“天舟”:实现“零窗口”到“窄窗口”技术跨越

5月29日20时55分,长征七号遥三火箭在海南文昌发射场点火升空。屠海超 摄

人民网北京5月29日电 (赵竹青)5月29日20时55分,我国长征七号遥三火箭在海南文昌发射场点火升空,将天舟二号货运飞船准确送入预定轨道,发射取得圆满成功。在4月底长征五号B遥二火箭拉开中国空间站在轨建造大幕后,航天人再次用智慧和汗水打响了中国空间站在轨建造工程第二战,为后续任务的顺利实施奠定了基础。

“零窗口”到“窄窗口”,提升火箭适应性

航天科技集团一院长征七号运载火箭试验队现场01指挥员、主任设计师徐利杰介绍,发射窗口是指允许火箭发射的时间范围。在我国以往大部分航天发射任务中,发射窗口都是在一个时间段内。但由于本次发射任务要实现货运飞船与天和核心舱的交会对接,需要将货运飞船发射到天和核心舱所在的空间轨道面,这样才能保证两个航天器顺利“牵手”,这就要求火箭必须按照预先计算好的时间,分秒不差的点火升空,也就是我们说的“零窗口”。

与“窄窗口”相比,“零窗口”发射的难度在于发射时间精确到秒,如果发射前系统的某个环节出现问题,就只能推迟到下一个发射窗口,重新组织推进剂加注和发射工作,对发射任务带来比较大的影响。而长征七号火箭作为低温火箭,与常规火箭相比,还面临低温推进剂加注问题和复杂的发射前流程。因此,要实现“零窗口”发射,难度更大。

“发射前4分钟内,要连续完成10多个关键动作,比如贮箱增压、管路排空、连接器脱落、摆杆摆开等一系列复杂动作,哪个环节出现异常都会影响‘零窗口’发射。”徐利杰介绍。在长征七号遥二火箭发射天舟一号货运飞船时,就实现了“零窗口”发射。

虽然已经具备了“零窗口”发射技术,但是为了更好地适应故障情况,提高火箭按时发射的能力,型号队伍首次采用了自动获取起飞时间进行入轨目标参数在线迭代修正技术,最终将精确到秒的“零窗口”拓展为2分钟左右的“窄窗口”。也就是说,如果火箭起飞时间的偏差在2分钟以内,火箭就可以根据起飞时间自行修正飞行轨迹,保证货运飞船仍然能够进入核心舱所在的轨道面,提升了长七火箭对发射任务的适应性。

5月29日20时55分,长征七号遥三火箭在海南文昌发射场点火升空。屠海超 摄

130余项改进让火箭更经济更可靠

本次任务是长征七号运载火箭的第三次发射,距离长征七号遥二发射已经过去了4年。徐利杰介绍,在此期间,型号队伍开展了大量的优化改进设计,不仅实现了从“零窗口”到“窄窗口”发射的技术跨越,另外还通过简化、优化箭上测量系统、优化贮箱增压设计等130余项改进,使火箭更加经济、可靠,更有利于批生产和高密度发射。

简化、优化箭上测量系统设计。删减了用于研究性的测量参数,箭上测点数量约减少三分之一,测量系统单机数量减少近一半,不仅节省了成本,也有助于提升部分关键参数的采样精度。另外,本次火箭还采用了高码率Ka频段天基测量系统,与长征七号遥二火箭采用的S频段测量系统相比,传输码速率提高了20余倍,实现了火箭飞行遥测全程无盲区。

优化箭上贮箱增压设计。结合前两次飞行试验结果分析,在不影响正常使用的情况下,助推器减少了一个贮箱增压气瓶,并将各模块贮箱增压压力控制带进行了优化,提升了增压气体的利用率。

将火箭助推和一级尾端、一级后过渡段由复合涂层改为普通涂层。改进后,简化了施工工艺,缩短了生产周期。以一级后过渡段为例,改进后生产周期由原来的18天左右缩短到13天,为后续批量生产奠定基础。

“聚焦‘零窗口’发射、聚焦飞行成败,一个细节一个细节进行梳理,充分辨识设计上存在的薄弱环节并进行改进,此外,针对其他火箭质量问题从机理上开展举一反三,确保火箭以最佳的状态、最优的性能投入到本次任务中,用过程完美确保结果圆满。”徐利杰说。

5月29日20时55分,长征七号遥三火箭在海南文昌发射场点火升空。郭文彬 摄

未来航天发射“主力军”

长征七号运载火箭是我国新一代中型运载火箭的基本型,以长征七号火箭为基础,衍生出具备高轨发射能力的长征七号甲火箭。

徐利杰介绍,随着两型火箭技术方案的完善和性能的稳定,长征七号系列火箭可逐步替代我国现役长征运载火箭有关型号,成为我国未来航天发射任务的“主力军”,执行更多的重大发射任务。

“除了空间站建造阶段2年4次发射任务之外,进入空间站运营阶段后,长征七号运载火箭还将每年保持2次发射的当量。”徐利杰说。

另外,长征七号运载火箭近地轨道运载能力达到14吨,论“力气”,比传统燃料的运载火箭多出一半以上,因此它不仅可以实现大型有效载荷的发射任务,还可以搭配上面级或者二级采用多次启动技术,实现太阳同步轨道大型有效载荷或多星组网发射。