适应空间站任务的高可靠长征二号F运载火箭

荆木春，秦 曈，宋 晶，柳海龙，李文清

（1. 中国运载火箭技术研究院，北京，100076；2. 北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引 言

2021年6月17日上午9时27分，长征二号F（CZ-2F）运载火箭成功将搭载聂海胜、刘伯明、汤洪波3名航天员的神舟十二号载人飞船准确送入预定轨道，标志着中国空间站建造及关键技术验证阶段的首次载人任务圆满成功。

CZ-2F运载火箭是中国唯一一型载人运载火箭。从1992年，中国载人航天工程开始，CZ-2F运载火箭就以高可靠、高安全为目标，按照一定的可靠性设计原则，开展设计工作。火箭的可靠性指标从原来的0.91提升至0.97，实现了运载火箭从功能性设计向可靠性设计的转变。同时，为了进一步保障航天员的安全，CZ-2F火箭增加了故障检测处理系统和逃逸系统，可以在火箭出现故障的情况下，依靠逃逸救生来保障航天员的安全。并通过零高度逃逸救生、逃逸飞行器最大速度头模拟飞行等试验，验证了逃逸系统的正确性。CZ-2F火箭的安全性指标为0.997，与国外载人运载火箭相比，达到了世界先进水平。

自长征二号F运载火箭二期研制以来，型号研制队伍不断进取，通过一系列的技术创新，在保证如空间实验室交会对接等重大任务圆满完成的同时，还持续提升CZ-2F的可靠性。以发射神舟十二号载人飞船的CZ-2F遥12火箭为例，相比遥11火箭有109项技术状态变化，绝大多数都是为了提升火箭的可靠性。通过一系列的技术创新和设计改进，CZ-2F火箭的可靠性已经由原来的0.97提升至0.98，为空间站关键技术验证及建造阶段（简称“空间站建造阶段”）的顺利实施提供了有力保障。本文结合空间站建造阶段对CZ-2F火箭新的任务需求，重点介绍CZ-2F火箭为保持高可靠性做出的技术改进、研究方法以及流程优化等方面的工作。

1 逃逸控制发动机点火时序完善

低空逃逸，特别是发射台逃逸是CZ-2F火箭所有逃逸程序中最为复杂的一项。虽然在早期研制过程中进行过零高度逃逸试验，但针对在不同方向低空风对逃逸的影响，还需要开展进一步深入分析。

CZ-2F火箭联合飞船系统针对历史实测低空风场对低空逃逸救生的影响进行了分析，发现在少量低空风的作用下，发射台逃逸时存在返回舱落点距离发射点小于500 m情况，有可能造成返回舱重新落入故障火箭爆炸范围内，对航天员生命安全造成威胁。

为了进一步增加逃逸救生的可靠性，保证航天员的安全。针对有风情况下发射台逃逸，提出了改变逃逸飞行器控制发动机点火策略，以提高对于低空风场的适应性。将原来只有控发Ⅲ点火的状态改为根据射前低空风情况选择控发Ⅱ或者控发Ⅲ点火，可以有效降低返回舱落入危险区的可能性。根据分析结果，采取更改控制逃逸发动机点火策略、在射前决策控制发动机点火状态的措施，以提高在低空风的作用下返回舱落点远离危险区的概率。发射台逃逸控制发动机点火方向示意见图1。

图1 发射台逃逸控制发动机点火方向示意Fig.1 The Sketch of Escape Control Engine IgnitionDirectionon the Launch Pad

针对有风情况下发射台逃逸，飞船系统、火箭系统和发射场系统针对增加逃逸飞行器控制发动机Ⅱ点火功能，分别对控制发动机Ⅱ或Ⅲ点火情况下的逃逸情况开展了仿真分析。对“无倾倒、偏航倾倒-6°、偏航倾倒6°、俯仰倾倒84°、俯仰倾倒96°”5种极限工况，火箭系统分别计算了标准状态下控发Ⅱ、控发Ⅲ点火的二次分离点参数，飞船系统结合210组低空风场进行了仿真，结果表明能够控制返回舱不落入危险区。

以其中最恶劣工况为例，飞船落点散布如图2所示，控发Ⅱ或控发Ⅲ点火均不能完全避免返回舱落入危险区，但个别落入危险区的情况属于不同风场，实际任务中可根据实测风场计算结果选择点火控制发动机来避免落入危险区。

图2 返回舱落点散布 Fig.2 The Dispersion of Return Capsule Falling Points

因此，通过增加逃逸飞行器控制发动机Ⅱ点火功能可以有效避免出现在少量低空风的作用下，发射台逃逸时存在返回舱落点距离发射点小于500 m情况，进一步保证航天员的逃逸安全。

2 全箭FMEA再分析

在CZ-2F Y12火箭研制过程中，为了进一步提高火箭对故障的适应性能力，消除薄弱环节。针对全箭各系统产品尤其是新研产品重新开展了一轮故障模式及影响分析工作（简称FMEA），包括设计FMEA、工艺FMEA和软件FMEA，覆盖准备阶段、发射阶段、飞行阶段和逃逸阶段，查找薄弱环节，确认设计改进和使用补偿措施的充分性和有效性；对于继承一期或仅相对一期适应性更改的产品，对一期的FMEA进行了复查、确认。表1为CZ-2F火箭任务阶段划分。

表1 CZ-2F火箭任务阶段划分 Tab.1 The Mission Stage of LM-2F

以总装直属件为例，首先明确产品在各任务阶段的流程或活动，然后梳理环境条件及故障诱发因素，如图3所示。

图3 总装直属件产品任务阶段划分及环境条件Fig.3 The Mission Stages and Environment Conditions of Assemble Direct Parts

之后根据系统结构组成、任务阶段和工作原理，绘制功能框图，如图4所示。

图4 总装直属件产品功能层次与结构层次对应关系Fig.4 The Relationship of Faction Layer and Structure Layer of Assemble Direct Parts

总装直属件产品的主要功能有：承载、传力功能，防气流冲刷、防热功能，实现分离功能，提供分离能源，实现安装固定功能，逃逸飞行器推力方向调整和逃逸飞行器质心调整功能。

然后根据总装直属件产品在不同任务阶段的故障检测方法（见图5），按照产品在不同阶段下的可靠性框图，开展FMEA分析。

图5 装直属件产品故障模式检测方法Fig.5 The Test Method of Assemble Direct Parts Fault Patterns

经分析，CZ-2F火箭全箭各系统在准备阶段故障模式为226个，Ⅰ、Ⅱ类单点故障模式为6个；发射阶段故障模式为516个，Ⅰ、Ⅱ类单点故障模式为9个；飞行阶段故障模式为1191个，Ⅰ、Ⅱ类单点故障模式为620个；逃逸阶段故障模式为98个，Ⅰ、Ⅱ类单点故障模式为37个。针对所有故障模式制定有效措施，如设置强制检验点等，进一步提升全箭故障发生的概率，提升火箭可靠性。

3 全箭飞行时序链路分析

针对涉及控制系统、火工品、发动机等关键产品多，影响飞行成败的点火、分离等关键环节，开展设计指标闭合检查工作，重点关注各关键设计指标实现的情况。主要的工作思路和方法如下：

a）采用事件链的方法，按照系统功能实现的物理传递链路，全面梳理系统功能实现涉及的产品，包括单机设备、电缆、接插件等等，确保产品无遗漏；

b）针对梳理出的产品，以产品故障模式分析为线索，梳理产品关键设计指标，包括性能、可靠性、环境适应性、接口、可维修性等，确保关键设计指标辨识无遗漏；以环境适应性为例，针对电缆和接插件要关注具体安装部位，电缆是否进行了有效防护，接插件在振动环境下是否会异常断开等；

c）针对梳理出的关键设计指标，逐项检查火箭产品的实测结果，检查是否满足设计指标要求。

针对点火-起飞（含变能蓄压器工作）、逃逸塔分离、助推器分离、级间分离、整流罩分离、船箭分离共6个正常飞行时序功能，4个逃逸程序和船箭应急分离飞行时序功能，共11个关键环节开展指标闭合性检查。以CZ-2F特有的逃逸程序I为例（逃逸时序Ⅰ链路如图6所示），除检查系统间时序动作协调匹配，还对故检系统、火工品、发动机等重要产品的性能及安装状态进行检查确认。

图6 逃逸时序Ⅰ链路（Ⅲ象限控发先点火）Fig.6 The Link Sketch of Escape Program I (Ignition the Control Engine III)

通过对CZ-2F Y12火箭各系统射前地面工作流程和飞行时序的设计正确性，系统间时序动作协调匹配性，控制系统、火工品、发动机等重要产品的设计状态、实际指标等重要因素进行事件链进行复查确认，保证了全箭飞行动作的稳妥可靠。

4 应急救援流程设置

为保证航天员在空间站工作期间的安全，当停靠空间站的载人飞船发生不能安全返回的故障时，地面启动载人飞船应急发射任务。因此，在航天员在空间站工作期间，需要在酒泉卫星发射中心准备一发应急救援火箭值班，处于随时待命状态，以应对应急救援任务需求。

载人飞船应急发射流程有8.5天和16天两种方案。两种方案的适用条件分别为：

a）空间站及其对接的载入飞船出现故障，且关键功能相关备份产品已启用，经评估决策后，执行8.5天应急发射方案；

b）空间站及其对接的载入飞船出现故障，但各项功能基本正常，暂不影响航天员生命安全的情况下，执行16天应急发射方案。

4.1 8.5天应急救援发射方案

8.5天应急发射方案为：人员利用2天时间在发射场集结，发射场有效工作时间约6.5天。火箭在技术区经过外观检查和状态恢复后，即转运到发射区开展测试工作，船罩组合体、逃逸塔在发射区与火箭进行对接，并完成后续应急救援发射任务。8.5天应急救援流程主要工作见图7。

图7 8.5天应急救援流程主要工作Fig.7 The Main Task of 8.5-day Emergency Rescue

4.2 16天应急救援发射方案

16天应急发射方案为：人员在发射场集结完毕后，载人飞船在11天内完成技术区厂房相关工作，之后在3天内完成船罩组合体、逃逸塔在技术区厂房与火箭对接，船箭塔组合体转运至发射区，在发射区进行功能及接口检查，火箭推进剂加注和发射等工作。

在执行Y12火箭发射任务期间，为准备应急救援火箭，实际上Y12、Y13火箭同时完成的火箭出厂工作，相继抵达酒泉卫星发射中心后，先开展应急救援值班火箭（Y13火箭）的产品恢复、吊装、测试等工作，将基础级以竖立状态封存。之后再进行Y12火箭的正式流程，执行神舟十二号载人飞船的发射任务。Y12火箭成功发射后，Y13火箭立即进入应急救援值班状态，待神舟十二号任务的航天员安全返回后，Y13火箭解除应急救援值班状态，进入正常的发射流程。Y12/Y13任务的主要流程见图8。正在执行应急救援值班任务的Y13火箭见图9。

图8 Y12/Y13任务的主要流程Fig.8 The Main Progress of LM-2F Y12 /Y13 Mission

图9 正在执行应急救援值班任务的Y13火箭Fig.9 The LM-2F Y13 Launch Vehicle on the Duty of Emergency Rescue

在整个空间站关键技术验证及建造阶段，CZ-2F火箭均按照这种“打一备一”及“滚动备份”的状态，执行神舟飞船的发射任务。应急救援状态的准备，可以有效应对空间站及其上对接载人飞船可能的故障，进一步提高空间站任务期间航天员的安全性。

5 结 论

本文结合空间站建造阶段对CZ-2F火箭新的任务需求，重点介绍了自2016年发射神舟十一号载人飞船后，CZ-2F火箭从技术改进、研究方法以及流程优化等方面，进行的技术创新和可靠性提升方法。

通过增加逃逸飞行器控制发动机Ⅱ点火功能，进一步保证航天员的逃逸安全；通过按照不同任务阶段开展了FMEA再分析和飞行时序链路分析，提升了全箭对故障模式的适应性；通过制定8.5天和16天两种应急救援发射方案，满足工程大总体提出的应急救援值班任务需求，进一步提高空间站任务期间航天员的安全性。

长征二号F运载火箭研制团队将继续保持“严慎细实”的工作作风，不断进取，勇于创新，永不止步，始终将高可靠、高安全作为奋斗目标，为中国空间站任务顺利实施提供强有力保障。