发射核心舱，长五B的“胜任力”

文/高一鸣 摄/ 史啸

4月29日，由中国航天科技集团有限公司研制的长征五号B运载火箭成功发射空间站天和核心舱，打赢了我国空间站在轨建造任务的开局之战。

长五B火箭是我国为满足载人航天工程第三步——空间站工程的任务要求，在长五火箭的基础上研制的。可以说，长五B火箭因空间站工程而生，发射空间站舱段，特别是发射空间站核心舱，是长五B火箭的“初心”之战。

那么，为了完成空间站发射任务，研制队伍赋予了长五B火箭怎样的能力呢？

胜任力一：运力强劲

空间站天和核心舱是我国目前最重的航天器，发射重量超过22吨。在我国现役火箭中，只有“长五B”能将这么重的航天器送入近地轨道；在世界现役火箭中，“长五B”的近地轨道运载能力也处于第一梯队。

要送“大块头”上天，首先自己要有大体格。

长五B火箭总体副主任设计师刘秉介绍，长五B火箭有将近54米高，相当于18层楼；芯级只有一级，直径却达到了5米，长30多米，是我国最大的火箭子级；4个助推器的直径均为3.35米，与我国其他液体火箭的芯级直径相当。

点火时，长五B火箭“体重”达850吨级，相当于两架满载的大型客机。其中，燃料占绝大部分重量。要把火箭携带的高能的液氢、液氧、煤油燃料转化为强劲动力，还需要强大的心脏——发动机。

长五B火箭的每个助推器上都装有2台120吨级液氧煤油发动机，芯级装有2台50吨级液氢液氧发动机。起飞时，10台发动机均在地面点火，以千吨级推力，托举火箭奔向苍穹。

飞行170多秒时，助推器发动机关机、助推器分离。芯级发动机则要一口气工作480秒左右，直至舱箭分离前几秒才关机。

长五B火箭副总师王维彬介绍，在真空中，长五B火箭芯级的2台氢氧发动机推力可达140吨级。

强大的体魄与心脏，使长五B火箭拥有25吨级的近地轨道运载能力，足以发射空间站舱段。而长二F火箭和长七火箭的近地轨道运载能力分别为8吨级、14吨级，分别负责神舟系列飞船和天舟货运飞船的发射任务。3型火箭共同构成我国载人航天工程的“天地运输走廊”，“长五B”的力量决定了这条“走廊”有多“宽”。

胜任力二：空间宽敞

为了让航天员在更宽阔的太空环境中工作、生活，我国空间站舱体尽可能设计得大些。其中，核心舱最大直径4.2米，全长16.6米，还有机械臂等“支棱起来”的结构。相应的，火箭从起飞到冲出大气层的过程中，用于保护空间站舱段的整流罩也要足够大。

在地面上，空间站舱体安静地矗立在整流罩内；但在奔向太空途中，特别是在整流罩分离时，整流罩会发生一定形变。因此，必须在整流罩和空间站舱体之间留有足够空间，以防它们相互碰撞。

当然，整流罩太大也会遇到很多问题。例如，整流罩越大，分离时的“呼吸变形”也就越大。正如生活中把一大块薄板抬起来后，会出现“颤颤巍巍”的现象，整流罩的“呼吸变形”与之类似。整流罩一“抖”，会不会碰到里面的舱体？同时，整流罩大了，固定、分离所需的力量也就越大。怎样保证整流罩既能在上天时严密、稳固地保护舱体，又能在分离时迅速分开？这一系列问题考验着设计师的智慧。

长五B火箭总体副主任设计师冯韶伟介绍，长五B火箭整流罩直径5.2米，高20.5米，是世界上采用旋转分离方式的规模最大、直径最大的在役整流罩之一。此前的设计思路、手段与试验手段，都无法驾驭长五B火箭整流罩的研制工作。团队在设计、试制与试验的过程中不断探索，引入三维视觉扫描等新技术，形成了长五B火箭整流罩精准的仿真模型，确保在飞行、分离的过程中整流罩不会碰到舱体。

胜任力三：“乘客”舒适

在火箭垂直转运至发射区、发射前打开固定勤务塔回转平台的几个小时内，整流罩直接暴露在外部环境中，若不采取措施，在海南高温高湿环境中，罩内温湿度会飙升，远超空间站外部环境温度小于30摄氏度、湿度小于60%的要求。

曾有人问，航天器在太空要经受住上百摄氏度温差的考验，为什么在地面上还要如此小心翼翼呢？

“空间站在进入轨道工作状态前，部分系统还处于休眠状态，不能像在太空那样应对剧烈变化的温度环境。”刘秉说，这就好比一位优秀运动员，在赛场上需要经历严寒酷暑的考验；但在去赛场的路上，还是应该舒舒服服地坐在“空调大巴”中，保持最好的状态。

主管设计师苏虹介绍，为了给空间站营造一个“舒适”的温湿度环境，研制团队不断优化整流罩空调供风管路，把从空调出风口到整流罩入风口的温度损失控制在零点几摄氏度；与此同时，增加一条管路扩大供风量。直到发射前15分钟，空调供风管路才与整流罩分离。

另一个影响空间站舱体“乘坐”体验的关键点出现在舱箭分离时。

和整流罩一样，航天器与火箭之间也要面对飞行时牢牢固定、分离时迅速可靠的矛盾需求。主管设计师孙璟介绍，以往我国航天器采用的分离装置无法应对空间站任务特点。为此，研制团队突破了既能“绑”得住大直径航天器，又能快速、可靠、无污染分离的膨胀管分离技术。然而，在一次分离试验时，研制团队却发现新型分离装置对分离面的瞬间冲击高达30000g，远超空间站舱体允许的6000g。

30000g的冲击不仅会让空间站舱体“不舒服”，还有可能损坏较脆的零部件。为此，研制团队联合国内优势力量开展攻关，既把传统方式发挥到极致，又引入了颗粒阻尼等新技术，尽可能地让冲击波多跑些“弯路”、多干些“杂活”，从而消耗“体力”，把冲击降低到3000g左右。这套方案做到了国际最优，满足了让空间站“舒舒服服下车”的要求。

胜任力四：出发准时

此次长五B火箭发射空间站核心舱任务，发射窗口还算宽裕。但后续发射的两个实验舱要与核心舱交会对接，必须在规定时刻分秒不差地发射出去（即零窗口发射）。否则，实验舱上天后就会与核心舱失之交臂，后续耗费巨大的代价调整轨道；发射任务甚至有可能在错过窗口后直接终止，等待下一个窗口重新组织发射，浪费大量资源，严重影响任务周期。

对于“长五”“长五B”这样采用大规模液氢、液氧等低温燃料的液体运载火箭来说，发射前动作非常复杂，实现零窗口发射难度很大。其中，发动机的“预冷”就是可能延迟火箭发射的重要因素之一。

氢氧发动机使用的液氢燃料达零下250多摄氏度、液氧燃料达零下180多摄氏度。为了防止这两种深低温燃料在进入处于常温状态的发动机后发生意外，要在此之前预先降低发动机温度，即给发动机“预冷”。长五火箭首飞任务就曾因两台大推力氢氧发动机迟迟冷不下来，导致发射推迟。

长五B火箭副总师王维彬介绍，从那以后，氢氧发动机研制队伍通过大量的研究改进与试验验证，进一步提高了发动机工作的可靠性与稳定性，并在每次发射前100分钟左右，提前开展一定程度预冷。就像汽车启动前，给点油先试试，如果有问题可以提前解决，从而确保发动机发射前不会“发烧”、按时完成预冷等工作。

长五火箭副总师贺建华介绍，在地面设备方面，型号采用远程调节等方式，也保证了发动机预冷等发射前环节的安全、顺利推进。

长五火箭在近几次发射任务中，均实现了零窗口发射，为后续执行其他空间站舱段零窗口发射验证了关键技术。

胜任力五：入轨精准

送航天器执行交会对接任务，准时点火只是一个开始，精准入轨才是圆满成功的标志。

除“长五B”外，我国其他运载火箭的末级发动机推力较小，再辅以推力更小的姿态控制发动机，较容易在航天器入轨前对其位置与姿态进行微调，从而确保精确入轨。

长五B火箭只有一个芯级。这虽然可以避免发动机高空点火的风险，但也增加了直接入轨的难度——完全靠总推力达百吨级的两台氢氧发动机来调节入轨精度，犹如“请张飞绣花”。此外，发动机关机后还有“后效”，类似燃气灶闭火后的“余火”，也会影响航天器入轨精度。

王维彬介绍，确保大推力氢氧发动机全程稳定工作最为关键。研制团队对发动机持续进行优化，并开展大规模试验验证。在载人航天工程总体的支持下，研制团队在5万多秒试车的基础上，针对发动机新改进部分又进行了1万多秒试车，充分验证了重大改进的可靠性。他们还根据试车情况对其他细微环节进行改进，消除一切可能的薄弱环节。此外，发动机研制团队还根据试车结果，给出了“后效”的预测值。

针对发动机“后效”等不确定因素，研制团队利用数学仿真“打靶”的方法模拟出上万种情况，以验证制导控制率设计的正确性。长五火箭副总师李学锋说，即便预测的“后效”与实际情况有出入，控制系统也能确保火箭精确入轨。

火箭弹道总体设计师王建明介绍，除了考虑火箭动力系统的偏差，还要考虑结构、控制等方面的偏差，以完善弹道设计，确保高精度入轨。在长五B火箭的首次飞行试验中，入轨精度堪称“正中靶心”，足以证明各系统为此开展的工作充分有效，标志着我国已突破了大推力直接入轨这一世界级难题。

胜任力六：质量过硬

“载人航天，人命关天。”在我国重大航天工程中，载人航天的可靠性、安全性要求尤为特殊，必须按照“要求更严、工作更细、标准更高、作风更硬”来开展一切工作。

长五系列火箭从设计源头就极为注重质量，其设计可靠性高达0.98，达到了国际一流水平。在研制与发射实践中，长五团队又总结形成了一套成体系、行之有效的质量保证工作方法。此次长五B火箭试验队质量负责人高翌春介绍，“7+7”质量管理要求就诞生于长五火箭研制队伍。

在此次发射任务中，除了“7+7”等常规要求，试验队还对标载人航天工程，进一步加严质量管理要求。

长五B火箭副总师陈建华是120吨级液氧煤油发动机的技术总负责人。在此次任务中，他带领团队对照载人航天工程标准和“7+7”要求，把液氧煤油发动机所涉及的相关质量要求重新梳理了一遍，逐条对照落实。

长五B火箭助推器采用的120吨级液氧煤油发动机自首飞起，飞行过程从未出现过质量问题。但陈建华认为，每一次任务、每一台发动机、每一个零部件的质量要求都不能放松。比如，对于涉及发动机点火的关键产品，陈建华开展了多次质量复查工作，直至查到产品具体的生产负责人才放心。

此外，远程测试网络等新手段的应用，也有助于提高工作效率、加强质量保证。在此次任务中，前后方数据判读联动机制正式建立，前后方可以便捷地分享测试数据，省去了冗长的信息摆渡工作。长五B火箭副总师田建东负责此次任务的后方支援工作。通过前后方联动，后方专家队伍的把关作用得以充分发挥，进一步确保测试数据的判读质量，为任务成功提供了强大保障。