我的首次航天之旅

李君海

时间：2008年12月5日下午3时4分50秒

地点：中国酒泉卫星发射中_

“10，9……3、2、1、点火，起飞!”随着零号指挥员的指挥口令，“北航=号”固液探空火箭腾空而起，带着项目组所有老师同学们的梦想直冲云宵，在空中留下了一条美丽的白烟；20秒后，火箭在3000米的高空分离成功，降落伞顺利打开，带着有效载荷缓缓飘落，按照飞行试验大纲的标准，飞行试验取得了圆满成功，“北航二号”成为中国首枚飞行试验取得成功的固液探空火箭。此时，项目组所有成员沸腾了，大家忘情地鼓掌、拥抱，甚至流下了热泪。历经近2年时间的研制所付出的努力与感情，在这一瞬间得到了充分释放。“北航二号”的研制工作仿佛是一次航天的旅行，是那么的精彩纷呈……

迎接挑战

时间回到2006年11月1日，中国第一枚由本科生设计和制作的气象探空火箭“北航一号”成功进行了飞行试验，得到了社会的广泛关注与好评。为进一步探索通过大型科技制作项目培养和锻炼大学生这种教育模式，同时实现技术上的突破进行中国首次以固液混合火箭发动机为动力的探空火箭飞行试验，北京航空航天大学紧接着开展了“北航二号”固液探空火箭项目。

2006年12月，项目组正式成立并召开了第一次全体会议，确定了“北航二号”探空火箭的主要目标为检验固液混合火箭发动机的飞行试验性能，并兼有气象采集任务。项目组成员共有31人，其中指导教师11人，专家组成员3人，参与项目的学生共有17人，其中15人是2003级本科生，另外2人是高年级的研究生，分别来自宇航学院飞行器设计与工程、探测制导与控制技术、飞行动力工程三个专业。项目指导教师组组长为宇航学院常务副院长蔡国飙教授，而我则作为项目组的学生负责人，主要负责协调整个项目进展和固液混合火箭发动机的研制工作。我为有机会参与这样大型的科技制作项目感到非常激动，同时也深知自己所承担责任的重大。在兴奋与紧张中，我与项目组的伙伴们，开始了“北航二号”的研制工作，正式开始了我们共同的航天之旅。

“北航二号”探空火箭全长3.42米，箭体直径0.22米，最大发射质量110千克，有效载荷质量15.5千克，最大飞行高度10000米。火箭包括总体结构系统、动力系统、分离回收系统、参数测量系统和地面发射系统。火箭的总体结构系统包括火箭的结构、气动外形等，分为仪器舱、分离回收舱和固液混合火箭发动机三大部分。

动力系统采用的固液混合火箭发动机，是一种新型的火箭发动机，它的研制成功与否，成为关系整个项目成败的关键。目前应用最为广泛的化学火箭发动机有液体火箭发动机和固体火箭发动机两种类型。液体火箭发动机是使用液体推进剂作为能源的化学火箭发动机，它具有比冲较高、工作时间较长、能多次重复启动、工作可靠、推力可调节和多次使用等特点，因此在大型运载火箭、航天飞机以及各种航天器上得以广泛应用；固体火箭发动机是使用固体推进剂作为能源的化学火箭发动机，它具有结构简单、体积小、工作可靠、使用简便、能长期贮存和机动性好等特点，主要在航天运载器、航天器，特别是现代导弹领域内得到广泛应用。这两种发动机应用十分广泛，技术十分成熟，但又存在一定的缺点：液体火箭发动机结构复杂、使用不便；固体火箭发动机比冲较低、工作时间较短、推力调节和重复启动较难。虽然对这两种发动机正在不断地改进，其中某些性能可能有所改善，但是在火箭发动机中单独使用液体推进剂或固体推进剂，上述的缺点不可能完全消除。因此，人们对同时采用液体和固体推进剂的混合火箭发动机产生了兴趣。这种混合火箭发动机按照氧化剂和燃料的不同组合可以分为固液混合火箭发动机(典型式)、液固混合火箭发动机(反方案式)、燃气发生器式及组合式等。混合火箭发动机将能克服液体或固体火箭发动机不能完全消除的缺点，具有安全性好、容易进行推力调节、可以进行关机和重新启动、推进剂能量较高、环保性好等优点。目前，美国、法国等少数航天强国已经对此进行了研究，并取得了一定的成果，而我国还没有成功飞行的先例，因此“北航二号”固液混合火箭发动机的研制充满挑战，是一次技术上的创新。

“北航二号”固液混合火箭发动机分为液体输送系统和固体燃料推力室梁大部分，其中液体氧化剂为一氧化=氮(笑气)，固体燃料为丁羟橡胶，设计氧化剂流量3.5千克／秒，平均氧燃比7.7，平均推力7800牛，工作时间4秒。发动机采用无增压气瓶的挤压式输送系统方案，输送系统在没有增压气瓶的条件下，通过自行设计的流量调节阀控制流量，能在贮箱压力不断下降的情况下，实现氧化剂流量的稳定供应。发动机推力室主要由液体氧化剂喷注器、燃烧室、喷管、固体药柱及点火器五部分组成，通过增加喷注压降提高燃烧稳定性，采用后燃室提高燃烧效率。

分离回收系统采用火工弹射分离方式，由发火装置和分离机构组成。降落伞使箭体头锥和探测仪器舱以约10米／秒的速度降落。有效载荷系统的主要功能是在飞行过程中进行大气参数测量，包括压力、湿度和飞行加速度的实时采集和存储。发射系统包括探空火箭发射架和氧化剂加注增压系统。以上五个系统分别经过调研、设计、试验、调试和总装工作后，最终装配在一起，组合成“北航二号”固液探空火箭。

在近两年的研制历程中，探空火箭设计和试验任务以及整体复杂程度比我们想象的要复杂得多，项目组碰到了各种各样的问题，经历了酸甜苦辣各种滋味。2007年7月，项目组完成了探空火箭总体、发动机和控制的调研工作，并确定了火箭的总体方案，完成了发动机的初步设计。2007年12月，完成了探空火箭总体、控制、动力系统的方案论证和部分零件设计，还完成了发动机部分试验件的设计，进入到加工阶段，同时也开始了发动机试验系统的建设工作。2008年3月，完成了总体、控制和发动机试验件的加工，并完成了发动机试验系统的建设，开始进入各分系统的试验研制阶段；2008年4～5月，发动机组开始了45毫米、105毫米、220毫米三种直径发动机推力室的热试车试验研究阶段。其中45毫米直径发动机用来研究固体燃料的燃速，同时试验点火技术；105毫米直径发动机用来检验固体燃料设计，包括结构、药柱型面的可靠性和内弹道性能。220毫米直径发动机是飞行用全尺寸发动机推力室，对飞行用发动机进行地面试验研究，得到飞行用发动机的推力、燃烧室压强、燃烧稳定性和效率等性能参数，同时验证发动机的可靠性和稳定性。与此同时，还进行了分离回收机构的分离试验、开伞试验，最后完成了飞行试验用火箭的加工……万事俱备，只等最后考验的来临。

出师未捷

2008年6月6日，在经过了约2000

千米的长途运输后，我们的火箭矗立在酒象卫星发射中心3号发射场坪上等待发射；按愿定计划，上午7点准时发射。这时的天气状况却和以前我们进行的试验和发射前演练所遇到的天气状况不同，致使火箭贮箱内氧化剂一氧化二氮(N20)的温度上升缓慢，在预定的时间内达不到发射条件。对这意外情况的出现，我们没有做好充分的应对准备，因而也就丝毫没有想到外部环境的改变可能导致的危险，只是决定继续等待，一旦满足设定的发射条件就进行发射。时间在一分一秒的流逝。上午7点45分，贮箱内氧化剂的温度终于满足了发射要求，于是零号指挥员开始倒计时并发出了点火指令。出乎大家的预料，火箭在一声巨响中发生了爆炸，首次飞行试验失败了。顿时，大家的脑海里仿佛出现了真空，不敢相信眼前所发生的这一切……

经过大量分析，最终的失败原因初步查明：由于没有对环境因素进行充分考虑，导致发射流程中出现严重问题未分清主次，致使贮箱内氧化剂温升时间过长，当达到指定的发射测试时，贮箱压力大干设定正常工作压力值，从而导致氧化剂流量过大、点火压力峰大于燃烧室的极限压力，最终发生了爆炸。这一次失败，促使我们对项目所有的设计与试验工作进行了深入的审视与总结，对研制过程中暴露出来的问题毫无保留地进行了反思。而基地的首长和专家们也对大家的故障归零工作以及精神状态的改变表示认同，希望我们不仅仅能解决已经暴露的问题，还要消除所有的隐患，并再次来基地进行飞行试验。

圆梦酒泉

从酒泉卫星发射中心回到北京，大家顾不上休息和调整，马上投入到“北航二号”项目的改进工作。首先，我们对“北航二号”探空火箭动力系统的所有设计方案进行重新分析与校核，并对固液混合火箭发动机相关技术进行深入学习，确保发动机的所有设计在原理上是正确的；其次，我们对已经存在的问题和可能的隐患提出了解决方法，并将通过试验进行验证。这主要包括：发动机氧化剂性质研究与流量控制、点火器的研制、发动机头部喷注器设计和发动机连接结构强度的改善；再次对试验研制工作提出了规范化要求，即每次试验要求对试验目的、原理和结果预测有明确的说明，而且必须有操作规程、安全性分析以及应急预案，试验完成之后要有试验总结，对存在的问题进行分析解决。2008年7～9月，项目组开始了发动机的改进研制工作。此时由于北京马上要举办奥运会而不能进行发动机的热试车试验，项目组只好移师内蒙古呼和浩特市，在航天科工集团第六研究院4I所为我们提供的场地重新搭建试验台进行试验。大家没有丝毫怨言，因为大家身上有着太多的压力与责任。经过近半年的时间，对火箭的每一个部件进行了多次试验，确保了火箭的状态完全满足飞行试验的条件。2008年11月底，我们再次启程奔赴酒泉卫星发射中心。“功夫不负有心人”。12月5日，“北航二号”固液探空火箭发射成功，于是出现了本文开头那壮观的一幕，而整个项目也从此画上了圆满的句号。

“北航二号”是继“北航一号”成功发射之后，北航在人才培养上的进一步尝试。它通过三个专业的同学协作进行设计、制作，培养了同学们的专业综合能力，特别是针对固液混合火箭发动机这一新型火箭发动机的设计研制。它不仅培养了同学们的创新能力，同时通过与航天院所及航天发射中心的产学研合作，还培养了同学们的工程实践能力。对我个人而言，在经历了这样一次航天之旅后，感受到了航天事业的严谨，理解了“特别能吃苦，特别能攻关，特别能战斗，特别能奉献”的载人航天精神，也有了令我受益终身的收获，在此我要感谢我们敬爱的指导老师们和学校领导，感谢支持我们的航天院所和发射中心，感谢所有关注和关心“北航2号”的人。现在，整个项目已经达到了终点，而我的航天之路才刚刚启程。