長征五號(hào)是長征系列火箭中第一個(gè)直徑達(dá)到5米的大胖子，被火箭研制者們親切地稱為“胖五”。想知道這個(gè)外表憨厚的“胖五”有哪些精巧有趣的技術(shù)創(chuàng)新嗎？請(qǐng)看中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者從中國文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)回的報(bào)道。
新型動(dòng)力，綠色環(huán)保
“胖五”作為我國目前最大推力的運(yùn)載火箭，其最大亮點(diǎn)就是擁有強(qiáng)大的綠色環(huán)保的中國芯——三型兩種新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。它們就是2001年立項(xiàng)的50噸級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)、2006年立項(xiàng)的9噸級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和2000年立項(xiàng)的120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。這是航天科技集團(tuán)六院“長征五號(hào)”新動(dòng)力研制人員歷經(jīng)20余年創(chuàng)新攻關(guān)交上的優(yōu)秀答卷。
三型發(fā)動(dòng)機(jī)各有特色
50噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是“胖五”的芯一級(jí)主動(dòng)力，是我國首臺(tái)大推力、高性能、地面起動(dòng)直接入軌的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，由兩臺(tái)獨(dú)立工作的單機(jī)通過機(jī)架并聯(lián)構(gòu)成，地面推力達(dá)100 噸。具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、100%國產(chǎn)化，綜合性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。它的研制成功，填補(bǔ)了我國大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)空白，使我國液體火箭推進(jìn)技術(shù)的整體水平跨上一個(gè)大的臺(tái)階。
膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)在工作過程中，全部推進(jìn)劑都能無損失地燃燒產(chǎn)生推力，性能高，也因此被業(yè)內(nèi)稱為“最優(yōu)動(dòng)力循環(huán)”。作為“胖五”的芯二級(jí)主動(dòng)力發(fā)動(dòng)機(jī)，9噸級(jí)膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)采用先進(jìn)的閉式膨脹循環(huán)系統(tǒng)，且可以通過多次啟動(dòng)，助推火箭進(jìn)入地球轉(zhuǎn)移軌道。它的研制成功，標(biāo)志著我國上面級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)達(dá)到了世界先進(jìn)水平，實(shí)現(xiàn)了重大技術(shù)跨越。研制過程中獲得了超高轉(zhuǎn)速氫渦輪泵技術(shù)、主動(dòng)引射高空模擬試車技術(shù)等為代表的一批具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的先進(jìn)成果。
“胖五”的助推級(jí)采用了120噸級(jí)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。這款發(fā)動(dòng)機(jī)，是我國單管推力最大、技術(shù)最先進(jìn)、應(yīng)用前途最廣泛的新型動(dòng)力裝置，該發(fā)動(dòng)機(jī)的研制，填補(bǔ)了我國補(bǔ)燃循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)空白，使我國成為繼前蘇聯(lián)之后第二個(gè)掌握高壓補(bǔ)燃循環(huán)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的國家，實(shí)現(xiàn)了從常規(guī)有毒推進(jìn)劑開式循環(huán)液體推進(jìn)技術(shù)至綠色無毒推進(jìn)劑閉式循環(huán)液體推進(jìn)技術(shù)的巨大跨越。以液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)為主動(dòng)力的長征五號(hào)新一代系列運(yùn)載火箭，運(yùn)載能力與國外最先進(jìn)的“阿里安5”、“宇宙神5”、“德爾它4”、“安加拉”運(yùn)載火箭達(dá)到同一水平。
薄皮大餡，堅(jiān)不可摧
長征五號(hào)運(yùn)載火箭這個(gè)大胖子，身高約57米，起飛時(shí)體重約870噸。大家肯定會(huì)覺得，“胖五”外殼必須特別厚重，才能足夠堅(jiān)固�？墒悄阒绬幔炕鸺龤んw“蒙皮”厚度是毫米級(jí)。
火箭的外殼專業(yè)術(shù)語稱為“蒙皮”，“蒙皮”的主要材料為鋁合金，這種材料強(qiáng)度高、耐腐蝕、重量輕、成本低，在長征三號(hào)甲系列、長征二號(hào)F等火箭飛行過程中綜合性能最好，是做“蒙皮”的最佳選擇。而且，最重要的一點(diǎn)，鋁合金材料輕，可以為火箭減輕重量，人們形容火箭是“薄皮大餡”，“蒙皮”薄了，就可以裝更多的燃料，“舉”起更重的衛(wèi)星。
火箭要外殼輕薄，更要堅(jiān)不可摧。為此，航天科技集團(tuán)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院的設(shè)計(jì)人員在設(shè)計(jì)時(shí)，會(huì)在“蒙皮”內(nèi)部用一個(gè)個(gè)框環(huán)和桁條組成一個(gè)圓柱型的框架，把框架與蒙皮鉚接在一起，組成火箭的殼段。該院火箭箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)師邵英翠介紹：“火箭‘蒙皮’很薄、很軟，但根據(jù)受力分析進(jìn)行科學(xué)計(jì)算、結(jié)構(gòu)優(yōu)化后，用鉚釘把‘蒙皮’和框架固定，每一殼段有上千個(gè)鉚釘，就保證了整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度�！�
當(dāng)然，如果“蒙皮”過薄，靠不斷加密內(nèi)部框架來保證堅(jiān)固性的話，反而會(huì)使體重增加，達(dá)不到預(yù)期效果。因此，設(shè)計(jì)人員要計(jì)算出蒙皮和框環(huán)、桁條的最佳配比。隨著技術(shù)不斷進(jìn)步，設(shè)計(jì)人員計(jì)算得越來越精確，火箭結(jié)構(gòu)也越來越優(yōu)化，“蒙皮”的厚度也隨之變得越來越薄。
箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)人員李操說：“在滿足箭體剛度和強(qiáng)度的前提下，火箭殼體薄了，整個(gè)火箭的重量就減輕了，既能保證有效承載，也讓火箭飛行地更完美�！�
邵英翠說：“以‘長五’火箭為例，火箭整流罩的‘蒙皮’面板厚度只有0.3毫米，在相同剛度下，火箭殼段的重量將減少10%以上�！�
“冰箭”不冷，三層防寒
“胖五”也稱冰箭，因?yàn)樗亲永镅b滿深低溫液氫液氧燃料，其中液氫溫度達(dá)零下253攝氏度、液氧達(dá)零下183攝氏度。
火箭體內(nèi)90%以上都是這種深低溫燃料，但火箭并不冷，外表面溫度依然可以保持在0℃以上，這是因?yàn)榛鸺娜剂腺A箱外都穿著“防寒服”，讓火箭內(nèi)部的儀器、設(shè)備、電纜等正常工作。
“防寒服”有里有面共3層，一共不到30毫米，卻是給火箭保持體溫的利器，“冰箭”不冷全靠它�！胺篮敝械摹懊藁▽印辈荒苤苯油吭谫A箱金屬表面，因?yàn)橘A箱受冷收縮時(shí)，“棉花”層因收縮性能比金屬小會(huì)導(dǎo)致脫粘，影響隔溫效果。所以，它有“里”有“面”。
“防寒服”的“里”是一層膠粘劑，不到1毫米厚，比“棉花”層更適應(yīng)金屬材料的熱脹冷縮，且摩擦力大，能同時(shí)與金屬材料的貯箱和“棉花”完美貼合，設(shè)計(jì)人員又叫它“緩沖層”。
“防寒服”的“面”是一層蘸膠玻璃纖維織物，0.9毫米厚，它也叫保護(hù)層，可以保護(hù)“棉花”不吸收外界水氣、不被損壞，更好地發(fā)揮隔溫性能。
“棉花”層全稱“低密度全閉孔泡沫塑料絕熱層”，氫箱外表的“棉花”層厚20毫米，氧箱外表的“棉花”層厚10毫米。這種棉花層由近10種原材料按照配比高速撞擊混合反應(yīng)而成，航天科技集團(tuán)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院703所防隔熱材料設(shè)計(jì)師申雄剛介紹說，這近10種材料分成兩組，都是液體，就像“哥倆好”膠水一樣，一旦混合，會(huì)在10秒鐘之內(nèi)發(fā)生發(fā)泡反應(yīng)、固化成形。
“長五”火箭“棉花”層與其他火箭不同，因?yàn)檫x用了新型發(fā)泡材料，其他材料的比例等也變了，申雄剛說，材料研制人員為此做了千余次試驗(yàn)，研究新型“棉花”層的性能。
數(shù)字總裝，自動(dòng)合體
過去，我國運(yùn)載火箭芯級(jí)的貯箱、箱間段“合體”靠手動(dòng)完成�，F(xiàn)在，“胖五”大火箭卻實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化總裝、“自動(dòng)”對(duì)接。
過去，我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭芯級(jí)的最大直徑是3.35米，貯箱長10米左右，它們的貯箱、箱間段“合體”時(shí)，需要有人用肉眼辨別貯箱和箱間段的對(duì)接處是否吻合，再由多名總裝工人手動(dòng)調(diào)整貯箱和箱間段的位置和姿態(tài)。但“胖五”的貯箱直徑5米、長20米、重5噸，“眼看、嘴喊、手工推”的老辦法不管用了，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，難以實(shí)現(xiàn)精確對(duì)接，還可能給大火箭造成損傷。
2012年，航天科技集團(tuán)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院所屬的天津火箭公司成立了集合多名“精兵強(qiáng)將”的“智能制造總體技術(shù)組”，負(fù)責(zé)數(shù)字化總裝對(duì)接裝備的研制和技術(shù)攻關(guān)工作。
人們?cè)O(shè)想著：用測(cè)量系統(tǒng)代替人的眼睛觀察箭體位置和姿態(tài)；用控制系統(tǒng)代替“喊號(hào)手”處理測(cè)量系統(tǒng)的數(shù)據(jù)，并向機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)傳送控制指令，讓機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)調(diào)整箭體位置、姿態(tài)，完成對(duì)接。
攻關(guān)展開后卻冒出了“攔路虎”。數(shù)字化總裝對(duì)接技術(shù)負(fù)責(zé)人李新友回憶說：“由于貯箱是‘弱剛性’部件，在停放和調(diào)姿時(shí)，可能會(huì)因機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的擠壓而受損。同時(shí)，由于箭體質(zhì)量重達(dá)5噸，研制人員還要考慮機(jī)械設(shè)備的承重問題。作為總裝對(duì)接裝備的‘大腦’，控制系統(tǒng)要向機(jī)械設(shè)備系統(tǒng)的各‘關(guān)節(jié)’發(fā)號(hào)施令，而每個(gè)‘關(guān)節(jié)’的動(dòng)作又不相同，這就加大了控制系統(tǒng)的壓力……”
技術(shù)組的研制人員一方面創(chuàng)新思路，一方面積極與相關(guān)科研院所、高校、生產(chǎn)單位展開協(xié)同，最終成功“斬虎”。2013年底，他們完成了測(cè)量系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、機(jī)械系統(tǒng)的生產(chǎn)及驗(yàn)收，并開展相應(yīng)的試驗(yàn)和改進(jìn)工作。
2016年春，長征五號(hào)首飛箭的總裝工作全面鋪開，經(jīng)過反復(fù)“練兵”后，大火箭芯一級(jí)的數(shù)字化總裝對(duì)接順利完成。
李新友說：“大火箭芯一級(jí)貯箱告別‘手動(dòng)合體’，讓我們完成了火箭制造工藝的升級(jí)，標(biāo)志著我國成為繼美國等航天強(qiáng)國后又一個(gè)掌握數(shù)字化總裝對(duì)接技術(shù)的國家�！�
仿真試驗(yàn)，又快又省
“胖五”采用了全數(shù)字化三維設(shè)計(jì)方法，這讓它的研制過程又快又省。
“臺(tái)上一分鐘，臺(tái)下十年功”，研制人員通過先進(jìn)的“數(shù)字試驗(yàn)”技術(shù)，在真實(shí)試驗(yàn)前，早已進(jìn)行了成百上千次的“預(yù)演”。
一臺(tái)投影儀、一個(gè)幕布……這種在會(huì)議室才常見的設(shè)備，卻是技術(shù)人員進(jìn)行“數(shù)字試驗(yàn)”設(shè)計(jì)演示的常用工具。試驗(yàn)件運(yùn)輸、吊裝、裝配……逼真的試驗(yàn)件、清晰的試驗(yàn)流程，“數(shù)字試驗(yàn)”呈現(xiàn)的是一組組視頻動(dòng)畫。可有時(shí)不足一分鐘的動(dòng)畫，卻要花上試驗(yàn)人員好幾個(gè)月的時(shí)間。
“關(guān)鍵在計(jì)算！要保證仿真試驗(yàn)的可信度�！� 航天科技集團(tuán)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院的試驗(yàn)人員說。以前，試驗(yàn)準(zhǔn)備經(jīng)常是依賴經(jīng)驗(yàn)、靠想象�？涩F(xiàn)在，全憑計(jì)算和仿真。試驗(yàn)怎么做，要像演電視劇一樣，試驗(yàn)人員得提前“寫劇本”。
技術(shù)人員說，長五火箭個(gè)頭兒最大，它的很多地面試驗(yàn)幾乎都是全新的。就拿長五火箭全箭模態(tài)試驗(yàn)來說，芯一級(jí)和助推器“進(jìn)塔”不光是個(gè)力氣活兒，更是個(gè)技術(shù)活兒。雖說天津全箭振動(dòng)塔幾乎是為長五火箭“量身打造”，可火箭要想一次進(jìn)塔成功，試驗(yàn)人員都得巧妙地“排兵布陣”。
通過動(dòng)畫，能夠看到1、2、3、4 號(hào)助推器“四兄弟”誰先進(jìn)、誰后進(jìn)，得根據(jù)塔高、寬、長排次序。甚至連助推器是“頭”先進(jìn)還是“尾”先進(jìn)、吊裝傾斜角度等這些細(xì)節(jié)，都要靠試驗(yàn)人員通過計(jì)算來確定。
真實(shí)試驗(yàn)中，長五火箭一次進(jìn)塔成功。如果沒有預(yù)先進(jìn)行的“數(shù)字試驗(yàn)”，這一路不知會(huì)有多少磕磕碰碰，甚至反復(fù)。
技術(shù)人員說，“數(shù)字試驗(yàn)”不光是對(duì)試驗(yàn)進(jìn)行預(yù)演，更重要的還能“預(yù)見”試驗(yàn)可能發(fā)生的故障，讓問題提前暴露、提前解決。在一次次試驗(yàn)預(yù)演、實(shí)戰(zhàn)中，“數(shù)字試驗(yàn)”技術(shù)不斷優(yōu)化，為長五火箭等新研型號(hào)的地面試驗(yàn)“一次成”發(fā)揮了重要作用。
全景天窗，通訊暢通
過去，我國在役火箭的整流罩都是金屬鋁“三明治”結(jié)構(gòu)，上下兩層金屬鋁板，中間夾層是蜂窩結(jié)構(gòu)，這使得內(nèi)部的衛(wèi)星信號(hào)受到金屬“屏蔽”，衛(wèi)星裝在里面無法與外界通訊，必須在整流罩上開個(gè)“天窗”，用其它透波材料打個(gè)“補(bǔ)丁”，才能保持衛(wèi)星與地面通訊暢通。
而長征五號(hào)火箭整流罩，創(chuàng)新性地采用了全透波結(jié)構(gòu)，讓原來的“小補(bǔ)丁”變成了整個(gè)整流罩，就像給衛(wèi)星信號(hào)開了“全景式天窗”。
航天科技集團(tuán)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院長征五號(hào)火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)副主任設(shè)計(jì)師戴政介紹，長征五號(hào)火箭整流罩直徑5.2米，透波材料的泡沫層厚度只有近30毫米，全整流罩厚度必須控制精準(zhǔn)，才能保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性和可靠性。
這給生產(chǎn)帶來了大難題，戴政比喻說，泡沫結(jié)構(gòu)要在兩個(gè)模具中填充成型，生產(chǎn)時(shí)，就好比要在兩個(gè)摞起來的大勺子中填充奶油，要保證奶油厚度一致，兩個(gè)勺子間間距控制必須精準(zhǔn)，否則成型后的產(chǎn)品就不合格，為此，生產(chǎn)車間進(jìn)行了幾個(gè)月的攻關(guān)才完成生產(chǎn)，這也換來了衛(wèi)星的高質(zhì)量通訊。
不僅如此，戴政說：“過去，衛(wèi)星不同，整流罩上‘開天窗’的位置、結(jié)構(gòu)就不同，沒有通用性，現(xiàn)在的‘全景式天窗’不用考慮‘開天窗’問題，通用性強(qiáng)，后續(xù)設(shè)計(jì)和生產(chǎn)效率都將得到提高�！�
作為新一代火箭的奠基之作，“胖五”全身上下、里里外外都是“新”的。它應(yīng)用的先進(jìn)核心技術(shù)多達(dá)247項(xiàng)，記者所講述的只是其中一小部分。正是因?yàn)橛辛诉@樣永不滿足的創(chuàng)新精神，在星辰大海的征途上，中國人的太空探索夢(mèng)想才能一步步變成現(xiàn)實(shí)。（中國經(jīng)濟(jì)網(wǎng)記者 佘惠敏）
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