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火星定制!长五预装42条轨道,飞出中国火箭最快速度

7月23日,长征五号遥四运载火箭与地球完成最后的告别,在一片红色的火光和白色的水气中拔地而起,迈出了中国人探索地外行星的第一步。

航天科技集团一院研制的长征五号运载火箭起飞推力1000吨,作为我国目前推力最大的火箭,既能将大型卫星送上3.6万公里的地球同步轨道,能送嫦娥五号探测器前往38万公里外的月球取回月壤,还能送航天器飞向更遥远的火星。

中国文昌航天发射场

中国文昌航天发射场

中国的火星探测器踏上征途,它将在未来半年多的时间里朝着火星奔去,让中国航天的步伐迈向更遥远的深空。

此次任务将通过一次发射,实现火星“绕着巡”任务,对火星开展全球性、综合性的环绕探测,并在火星表面开展区域巡视探测,向世界带来中国人在火星上收获的科学成果。

10分钟窄窗口,预装42条发射轨道

在世界各国首次探测火星的航天器中,“天问一号”火星探测器以5吨的体重位列第一,比“嫦娥四号”月球探测器重了一吨多,是目前我国发射的重量最重的深空探测航天器。

“依靠长征五号强大的运载能力,我国行星探测之旅将站上一个新的起点,通过一次发射实现对火星的‘绕着巡’三项目标,是起点很高、含金量十足的第一次,将使我国深空探测的脚步从月球迈向行星,正式开启行星探测时代。”一院党委书记、长征五号火箭第一总指挥李明华说。

火星探测器与长五火箭二级分离时,将进入近地点高度200公里的地火转移轨道,速度(11.5公里/秒~11.7公里/秒)略超过第二宇宙速度(11.2公里/秒),逃脱地球引力束缚。而以往长五发射的载荷基本在地球轨道范围内,分离时达到第一宇宙速度7.9公里/秒即可。

“此次发射火星探测器,是长征五号火箭第一次飞出第二宇宙速度,创下了我国运载火箭的最快速度。”长征五号火箭总设计师李东介绍。

长征五号运载火箭

长征五号运载火箭

虽然发射窗口选择在火星与地球距离较近的时候,但它们的相对位置仍在时刻变化。从发射场到地火转移轨道的近地点,这两点之间的轨道也是一直变化的,这就不同于以往深空探测中只有固定的一条轨道。

长征五号运载火箭副总设计师娄路亮介绍,火星处于不断运行移动的状态中,如果把发射比作打靶,那么这次“打靶”打的是移动目标,因此没有一个固定位置让你瞄准,要随着目标的移动来瞄准。

为了精确入轨,火箭研制团队给火星探测器“私人订制”了精细化的“窄窗口、多轨道”设计,将火箭每天30分钟的发射窗口细分成3个10分钟的窗口,每个窗口预装1条发射轨道,7月23日到8月5日,14天的窗口期内一共设计了42条发射轨道,将轨道偏差控制在非常小的范围内。娄路亮表示,这在中国航天的发射历史上是绝无仅有的,创造了单次发射轨道设计数量的新纪录,并首次实现了发射轨道的自动切换。

火箭总体副主任设计师刘秉进一步解释,火箭具备很强的自主能力,依据发射时间,对预装好的轨道程序进行自动切换。“发射时间是几点几分,对应哪个窗口、该选择哪条发射轨道,智能化的火箭都能自主完成,不需要人工操作。”

除此以外,长五火箭仅进行了整流罩操作口、透波口的例行更改。

刘秉表示,长五火箭采用的是通用化设计,在前期研制、验证过程中,已经把后续任务可能遇到的情况考虑进去,基本不需要根据某一个任务去专门做出大的改变。

以整流罩为例,在研制初期和前期试验中,就把所有可能需要的功能都考虑到了。有的载荷需要整流罩上有透波窗口,如果等载荷提出需求再去更改、做试验,不仅影响进度,还会增加研制成本。这次的“乘客”火星探测器就需要有透波口,在火箭发射时与地面保持无线电信号传输。

火箭芯二级-整流罩 

火箭芯二级-整流罩 

在这次任务之前,长五系列火箭已完成4次飞行试验,对后续探火、探月要用到的关键技术进行了重点考核,目的就是在正式执行国家重大任务时,尽量少出现新的技术状态,提高可靠性,降低执行重大航天工程任务的风险。

例如,这枚火箭箭体上有7~8个大的部段在之前经过了“瘦身”,“瘦身”后的部段在长五B遥一火箭首飞时已经验证过。而在本次发射中,火箭末子级在第二次点火前要经过长时间的滑行,这种长时间滑行的技术在长五遥三火箭发射任务中也通过了验证。

一年之内4次起飞,密集发射的长五

长征五号遥四火箭发射任务是我国第一次执行地外行星轨道探测器的发射任务,也是长征五号火箭第一次执行正式的工程应用发射任务,需要直接将火星探测器送入地火转移轨道。

该型火箭已经先后完成了高轨大卫星、载人飞船试验船以及深空探测器三类航天器的发射,成为长征火箭家族中唯一可以胜任三种任务类型的火箭。在一院院长王小军看来,长征五号火箭进入工程应用阶段,将有力支撑国家重大航天工程的实施,对加快推进航天强国建设发挥重要作用。

此前,长征五号遥三火箭和长征五号B遥一火箭连续发射成功,标志着长征五号火箭关键技术瓶颈已经完全攻克,火箭各系统的正确性、协调性得到了充分验证,火箭可靠性水平进一步提升。“此次执行应用性发射任务,意味着长征五号火箭正式进入‘服役’状态。”长征五号火箭总指挥王珏表示。

这一次发射,除了要求火箭发射成功,载荷也要成功完成使命才能算任务成功。如果说之前的发射是参加奥运会考核选拔的“预选赛”,那么这次发射就是真正站在了奥运赛场上,以最成熟的技术和最强大的实力迎接考验。

长征五号火箭出箱

长征五号火箭出箱

但考验仍不止于此。

这一次,长征五号遥四运载火箭发射我国首个火星探测器,并通过一次任务实现对火星的环绕、着陆和巡视探测。探测器发射后,大约需要七、八个月的时间才能飞抵火星。

而预计今年年底前,长征五号遥五火箭还将择机发射“嫦娥五号”月球探测器,将重达8吨多的“嫦娥五号”直接送入地月转移轨道,“嫦娥五号”落月后将实现首次月面无人采样返回。在更远的深空探测和更重的探测器发射任务上,长征五号火箭是不二之选。

算上2019年12月底长五遥三发射和今年5月初的长五B首飞,近一年的时间内长五系列火箭要完成4次发射任务。

此外,预计明年长征五号B遥二火箭还将发射我国载人空间站的核心舱。作为我国空间站核心舱和实验舱的“专属列车”,长征五号B运载火箭系出“长五”名门,是我国首个采用一级半构型的新一代大型液体运载火箭,专门为载人航天工程空间站建设而研制,将在未来两到三年时间内,完成我国空间站舱段的发射。

娄路亮直言:“虽然长五是个新型号,但一下就进入了高密度的发射状态”。对于长征五号这样规模庞大、系统复杂的大型火箭而言是极具挑战的,在产品研制、总装测试、技术管理和发射保障等方面都有很高的要求。接下来的任务,对团队来说时间尤为紧张。

为了应对长五火箭的高密度发射任务,火箭研制团队采取双线作战方式,一半人马在发射场执行发射任务,另一半人马在后方为下一发任务做好准备,提高了工作效率,保证任务进度。

这次火星探测器发射成功后,发射场的火箭团队就要回到后方准备长五B遥二火箭的出厂,而后方的团队则进入文昌发射场,准备执行下一发的“嫦娥五号”发射任务。

长征五号火箭试验队员

长征五号火箭试验队员

未来,长征五号火箭还将在发射高轨道大卫星方面迎来更大“舞台”,与长征三号甲系列火箭共同构成发射高轨道卫星的能力阶梯。李东表示,我国未来高轨卫星重量可以达到8吨左右,只能通过长征五号火箭实施发射。同时,在搭配合适的上面级后,长征五号火箭也可以用一箭双星的形式,同时发射两颗5.5吨重的高轨卫星。

步履不停,书写中国高度

长征五号运载火箭取得的高光时刻,是一群不畏艰险、含泪奔跑、敢于胜利的人撑起来的。

这支团队,历经十年艰辛,从立项到研制,让中国一步迈进大火箭国家俱乐部;这支团队,陷入过至暗时刻,在908天中含泪奔跑,让中国最强火箭浴火重生;还是这支团队,和时间比速度,搭建中国人追求月球、火星和空间站的梦想天梯,不断刷新中国人能够抵达的“高度”。

2020年年初,一场新冠疫情席卷了全国。当时,中国航天两次火箭发射失利,质量形势陡然严峻起来……

全力防控疫情、保障任务的同时,航天人还面临着前所未有的质疑,和“不能再失败”的巨大压力。谁来打赢这“触底反弹”的第一枪?关键时刻,长五团队挺身而出。

长征五号B运载火箭首战告捷。这一战,是我国载人空间站工程的“首战”,更是中国航天扭转被动局面的“首战”和“最关键的一战”。有史以来任务周期最长、面临困难最多、承受压力最大的一次发射任务取得圆满成功,长五团队用实力回击了一切对于中国航天的质疑,一扫阴霾。

当长五B任务团队在前方酣战的同时,长五研制团队的另一半人马正在后方克服疫情带来的种种不便,全力以赴为长征五号遥四火箭的按时出厂紧张忙碌。

5月5日,长五B火箭首飞成功,有史以来任务周期最长、面临困难最多、承受压力最大的一次发射任务取得圆满成功,长五团队用实力回击了一切对于中国航天的质疑,一扫阴霾。

“失败了,我们没时间悲伤,成功了,也只能高兴两个小时。”这是很多航天人挂在嘴边的话。长五B首飞发射成功后,来不及庆祝,研制团队立即投入到长征五号遥四任务中——因为火星探测的发射窗口是固定的,后线不能推。

5月的海南,平均气温高达32℃,湿度在80%以上,正值“桑拿天”。就算什么事都不做,待在户外也会大汗淋漓。地面设备恢复作业在没有任何遮挡的户外进行,烈日的炙烤下,火箭试验队员们衣服早已被汗水湿透,没有人顾得上酷暑,都在争分夺秒,和时间赛跑。

他们当中,有中暑后经过短暂休息和治疗,又返回工作岗位接着干的;有严重脱水,靠喝补盐液坚持的;有突发肾结石,忍着钻心疼痛完成工作才到医院就诊的;有时常加班到半夜,第二天一早醒来又接着干的……

大部分人自长五B火箭首飞任务开始,就在发射场工作,已经连续奋战了100多天,有试验队员春节之后就没离开过中国文昌航天发射场,一直坚持到7月底。他们全力以赴,克服各种困难,提前完成了地面设备恢复任务,为探火任务创造了更加有利的发射条件。

7月23日,长五遥四火箭托举火星探测器,迈上了探火之路,刷新中国深空探测纪录,飞出全新的“中国高度”。

来源:中国航天报