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“长征”新兵长三丙火箭研制纪实
    日期:2008年04月28日    字体:【】【】【

 

  作为长征系列运载火箭又一个“首飞型号”和“长三甲系列”中的最后一位成员,长征三号丙火箭(以下简称为长三丙火箭)的首次“登台演出”无疑是中国航天2008年宇航发射任务的焦点。
  临近发射,长征三号甲系列火箭的总指挥岑拯的脸上依然挂着自信的笑容。在这位年轻的总指挥的带领下,长三甲队伍已经成功续写了长征系列火箭100次发射和输送“嫦娥”九天揽月的神话。
  他清晰地记得,长征三号系列火箭的原总师兼总指挥龙乐豪院士在他“屡新”之际一番语重心长的话:我还有一个遗憾,就是没有在我的手中,将长三丙火箭送入发射市场,希望你能弥补我的遗憾。
  在龙乐豪看来,每一枚火箭都是有生命的个体。他把“长着一双翅膀”的长三丙火箭亲切地称为“老幺”。
  时光荏茬,长三甲火箭和长三乙火箭在发射市场“服役”已有10年之久,相比于她的“姐姐”们,长征三号丙火箭却显得命运多舛。龙乐豪就像一位家长一样,盼望着自己的“小女儿”能够早日“出阁”,像她的姐姐们一样,成为发射市场上另一朵奇葩。
  春天的西昌,阳光如织,花团锦簇,螺髻山上的杜鹃花开得漫山遍野,这是月亮城最美的季节。2008年4月25日,一场雷雨洗礼后的西昌卫星发射中心,天高云淡。岑拯和火箭发射试验队队员们一起,带着对“老幺”的深情祝福,饱含深情地将长三丙火箭送向了遥远的天际。
  此时的长三丙火箭就像一个轻盈的天使,张开翅膀,奔向远方……
  一、22载浓情打造长三甲系列“老幺”

  “在我经手的火箭中,长三丙火箭无疑是研制历程最长的一个火箭型号,22年的酸甜苦辣,我们把对这个型号火箭的情感也融入到了研制的每一个细节中。”
  ——龙乐豪(长征三号甲系列火箭的前总指挥兼总设计师)
  诞生之前已有“婆家”
  时间回转到22年前。
  1986年,备受瞩目的长征三号甲系列火箭正式立项,研制构想被提上了议事日程。
  “就像一套茶杯一样,‘长三甲’既然有了基本模型,就应该在基本型的基础上,让种类多样化,以适应更大的市场需求”。龙乐豪向记者打比方说到。
  要让长征三号甲火箭“家族”成为一个真正的“系列”!秉持着这样的理念,在设计长征三号甲系列火箭的基本型时,设计师们就把日后研制多种运载能力的火箭纳入了思考范畴。
  尔后的八年,设计师开始了艰苦的长三甲火箭基本型的研制,他们先后攻克了100项新技术,40多项重要技术以及4项关键技术,从厚厚的图纸到总装厂房的零部件,再到成形的箭体,每一小步的前进,都饱含了设计师们的心血。
  1992年4月24日,龙乐豪代表中方在华盛顿签订了一个对外发射合同,即用中国的长三乙火箭发射外星。受此牵引,1993年2月10日长三乙火箭正式立项。
  随着基本型的日趋成熟, 在长三乙火箭转入正样研制的同时也开展了对长三丙火箭的研制工作。
  1995年3月至5月,长三丙火箭与长三乙火箭一起,在西昌卫星发射中心顺利地完成了发射场合练。此前,中国长城工业总公司已于1994年3月22日将长三丙火箭推向了市场,按照当时签订的三项商业发射合同,将由长三丙火箭来执行对Nahuel卫星、Sinosat卫星、Mabuhay卫星的发射。
  “拿着设计图去和外商谈发射服务合同、拿着客户支付的预付款开始研制”的佳话,让众人对长三丙火箭的诞生多了一份期待。
  “可以说,长三丙火箭还没有诞生,就拥有了‘婆家’,就肩负了重要的历史使命——发射外星,可是最终,长三丙火箭发射的首颗卫星却是内星,这点和她的‘姐姐们’不太一样”。据龙乐豪介绍,长三甲火箭肩负的主要任务是发射国内卫星,长三乙却是为国际发射市场服务。前者是内星牵引研制,内星牵引发射;后者是外星牵引研制,外星牵引发射。而长城公司签订的三项发射合同,最终由“老二”长三乙火箭在1997—1999年完成。长三丙火箭也把在2008年4月25日发射天链一号01星,作为自己登台的“首场演出”。
  诞生过程历经“阵痛”
  1996年,长三乙火箭首飞失利,中国航天事业陷入了低谷。为了使长三乙火箭能够尽快恢复发射,当时的航天工业总公司决定集中资源,将科技人员的主要精力投入到长三乙火箭的研制上,暂停了长三丙火箭的研制工作。
  从此,长三丙火箭的研制进入了两年的“休眠期”。1998年11月4日,随着长三甲火箭和长三乙火箭的连续成功发射,长三丙火箭的研制也被获批“解冻”,12年过去了,从最初的构想到搁置后重拾研制方案,这让龙乐豪感慨不已。
  1998年至2000年,随着发射任务的日趋繁重,发射市场亟需长三丙火箭来填补运载能力的空白。为了尽快填补我国运载火箭在运载能力上的空白,科研人员快马加鞭、日夜兼程,长三丙火箭终于在2001年8月23日通过航天科技集团公司的权威专家的评审,认为可以转入应用发射阶段。
  2003年,天链一号01星的获批立项,这在一定程度上加快了长三丙火箭走向发射市场的步伐。
  据航天科技集团公司科技委顾问、天链一号工程总师白拜尔回忆,2003年,当这个工程启动时,当时围绕“用什么火箭”,很多人持有不同意见:如果采用长征三号甲火箭,担心“余量不够”;而用运载能力稍大的长三乙火箭,则显得有些浪费。
  被“雪藏”的长三丙火箭唤醒了很多人的记忆。综合各种因素,航天科技集团公司最终确定了继承成熟技术的长三丙火箭来执行此次发射任务。显而易见,没有经过任何试验飞行的长三丙火箭,它的首飞将使研制人员面临着前所未有的压力和挑战。而备受瞩目的长征三号丙火箭于2005年正式投产。
  此时的长三丙火箭,终于能和她的姐姐们一起,接受发射市场的考验与挑选了。
  二、首枚“非全对称”火箭背后的创新故事 

 “长三丙火箭充分继承了长征三号甲火箭和长征三号乙火箭的成熟技术。但是在构型上却由于两个助推,成为了中国运载火箭发展历史上第一枚非全对称火箭。因此,所有的技术状态的改变都因为这个原因而产生。”
  ——岑拯(长三甲系列火箭总指挥)
  两个助推考验“平衡”
  作为长三甲系列火箭中的一个构型,在充分继承长征三号甲、长征三号乙运载火箭的成熟技术上,长三丙火箭其系统组成、分系统技术方案与长三乙火箭相同。
  和长三甲火箭的“光杆”以及长三乙的“四人抬”不同的是,长三丙变成了“两人抬”,即长三丙火箭芯一级Ⅱ、Ⅳ象限上捆绑了两枚不带尾翼的助推器,Ⅰ、Ⅲ象限上无助推器,安装了两片尾翼。
  “就像抬轿子一样,两个伙夫力量有限,也就决定了承载的重量。长三丙火箭只有两个助推器,长三甲火箭没有助推器,长三乙火箭有四个助推器,这就决定了长三丙火箭的运载能力在这两者之间。”据龙乐豪介绍,目前长三甲火箭的运载能力在2.6吨,长三乙火箭的运载能力能够达到5.5吨,长三丙火箭的运载能力为3.8吨,恰好介入这两者之间。
  在发射场,记者见到了长三甲系列火箭的总指挥岑拯。这几年,由于“长三甲”系列的高密度发射,西昌,对岑拯而言,已经成为了“第二故乡”。岑拯告诉记者,这是他做长三甲系列总指挥以来,干的第一个“首飞型号”,“这个经历对我个人而言,非常宝贵。”谈到长三丙火箭的“首飞”,岑拯显得信心十足。他指着长三丙火箭的“白色翅膀”向记者解释到,长三丙火箭是目前我国第一枚结构外形非全对称的大型运载火箭,这对火箭在飞行过程中的平衡是一个巨大的考验,同时也给火箭的姿态控制出了一个难题。设计师们根据自己多年的经验,在参照长三甲火箭和长三乙火箭的基础上,反复分析研究、根据试验修改参数,并多次请教相关专家,为增大安全余量,最终确定火箭再在捆绑两枚助推器的基础上安装两片尾翼。
  总体设计“重新规划”
  总体部在火箭设计、研制中扮演着“灵魂”的作用。总体部的设计人员把对火箭的每一个细节的“良苦用心”通过总体参数来予以体现,并最终传递给每一个分系统的设计人员。
  “尽管长三丙火箭继承了长征三号甲火箭和长征三号乙火箭的成熟技术和成熟产品,但是从总体参数来看,总体设计状态与前两枚火箭有很大的不同。”一院总体部副主任设计师李聃向记者如是介绍到。
  他拿总体设计中的几个重要组成部分——气动设计、弹道设计、载荷设计、姿态控制设计为例,向记者剖析了其中的奥妙所在。
  “拿气动特性而言,正如不同外形的汽车,其在行驶过程中产生的风噪是不一样的,因为各自遇到的空气阻力是有差异的。”李聃向记者打比方到,此次长三丙火箭是一枚全新的火箭,它也必将遇到与长三甲火箭和长三乙火箭不同的气动力和气动热的作用。为了确定火箭在飞行中各种气动特性数据,设计人员必须通过大量的理论分析和试验,充分考虑到火箭在大气中飞行时受到的各种恶劣工况,这样才能确保火箭总体设计的可靠性和飞行安全性。
  设计人员把火箭的“飞行轨迹”称为弹道。此次长三丙火箭起飞重量约为342吨,相比于长三乙火箭的426吨,它的身躯显得要轻盈一些。综合考虑卫星的轨道和入轨姿态要求、地面测控站的布局、残骸落区的安全以及风速、风向等因素,设计人员重新为长三丙火箭设计了一条全新的“飞行路线”。要想让火箭在飞行过程中全程受控,这条路线的“预设”精度便显得格外重要。作为一枚全新的火箭,长三丙火箭的起飞推力和起飞质量都有所改变,而设计人员也要相应做出调整。
  提到弹道设计中必须考虑的一个因素:落区安全,李聃向记者娓娓道来的其中的小秘密,每一个落区的设定都要充分考虑当地的人口密度和环境等环境,必要时设计人员还要前往实地进行踏勘考察。
  此次长三丙火箭的非全对称设计可谓是中国运载火箭发展史上的一个重要尝试。这也给火箭的姿态控制设计提出了一个全新的课题。“我们需要在姿态控制设计时把火箭在飞行过程中所经受的各种内、外干扰,如气动外形不对称、质心位置偏差、发动机推力偏差等因素都考虑进去。和长三甲火箭、长三乙火箭相比,长三丙火箭由于构型不同,在飞行过程中的姿态就会不同。这些都需要在姿态控制设计上充分考虑到。” 据李聃介绍,刚开始在设计长三丙火箭时,该枚火箭是没有尾翼的,后来在姿态控制设计中,为提高火箭飞行过程中偏航通道稳定裕度,于是便给火箭加了一对“翅膀”,使得长三丙火箭在飞行中的稳定控制更有把握。
  载荷设计的“功能”是为火箭结构设计和各个部段的强度计算提供依据。作为长三甲系列中的“新成员”,总体部的设计师们需要充分考虑到长三丙火箭在飞行过程中所承受的外界气动力、发动机推力、控制操纵力、结构惯性力一级推进剂晃动等因素,确定火箭在地面停放、起吊、运输及飞行过程中各截面的轴向力等参数,从而为结构设计奠定基础。
  控制系统大做“手术”
  点火后,火箭离开地面,从那一瞬间开始,火箭将进入自主管理阶段。而火箭在飞行过程中一系列的动作变化,皆来自于控制系统的指令。从这个角度来讲,控制系统在火箭中的地位相当于人的大脑。
  此次长三丙火箭在评审过程中,控制系统的评审受到了高规格的“礼遇”,专家们为该枚火箭的控制系统进行了专门的评审,这在长征系列火箭的评审中还是不多见的。
  发射前,记者见到了长三甲火箭副总师姜杰,这位纤弱的女总师,谈到伫立在发射台上“整装待发”的火箭,显得有些兴奋。“长三丙火箭采用了新的姿态控制方法,这主要还是由于箭体非全对称结构导致的。”姜杰向记者介绍到,此前的长征系列火箭均为全对称结构,控制技术已经非常成熟。而长三丙火箭由于结构的特殊,对称火箭的控制方法已不适用,控制系统的设计人员研究提出了新的控制方法,从而实现对火箭飞行的稳定控制。
  “在长三丙火箭上,我们解决了不全对称的火箭的稳定控制,这也是中国运载火箭发展的一个技术突破。”据姜杰介绍,尽管是采用了新的控制方法,但是设计人员前期做了大量的试验验证,并就围绕火箭在天飞行的状态做255种的仿真试验。一年多时间的技术攻关,控制系统的设计人员最终为长三丙火箭量身定做了一套可控的“飞行程序”。
  姜杰向记者模拟了火箭点火后的飞行状态,“点火后,从助推分离、到火箭的一、二级分离,在这大概145秒的时间内,火箭都是在进行非全对称的飞行,这145秒内是否能够稳定飞行,对于长三丙火箭而言,是一个巨大的挑战。而控制系统的工作就在这145秒中内得到检验。”
  新工位静候“新乘客”
  早在长征三号丙火箭进靶场前10天,一支特殊的“先遣部队”就已经提前到达了西昌卫星发射中心。这支由50余人组成的“检修试验队”的任务,就是完成对二号工位新安装、设备的检修和调试。
  “地面发射支持系统”的主要职责是为火箭发射提供“服务”,“服务内容”包括火箭吊装、运输、瞄准、加注以及发射等。该系统与火箭的匹配程度,将直接影响发射活动的成功与否。
  “此次我们对二号工位的低温加注系统、测控系统、发射设备和瞄准设备进行了全新的改造,目的在于提高发射活动的可靠性和安全性,让长征三号丙火箭的‘首发’成功再加一道砝码。”在西昌卫星发射中心,记者见到了长征三号甲火箭的副总师章洁平,尽管参与二号工位设备的改造工作,前后已有2年之久,但是章洁平坦言“还是有些不放心”,“毕竟是改造后第一次执行任务”。
  章洁平用“浴盆曲线”的可靠性原理告诉记者,“地面发射支持系统的可靠性和稳定性就像浴盆曲线一样,两端高点是故障高发区,中间低点是设备性能稳定区。所以,隔一段时间后,对工位的重新改造有助于确保发射成功。
  改造并不是简单的更换,在确保“安全、可靠、稳定”的基础上,研制队伍做了很多提高性能的尝试。譬如低温加注设备,新采用的设备提高了绝热性和密封性,从而使火箭加注可靠性、安全性再上一个“新台阶”;远控间从距离发射工位150米处搬至了3.5公里之外,在保证传输口令和信息无误的情况下,确保了工作人员的人身安全;针对一些原操作不便的情况,发射台机械系统主体结构也进行了重新的优化设计,如重新布局了某些机械连接部位,预留了足够了扳手空间,优化设计液压箱盖板,以便于检修操作等。
  据章洁平介绍,改造后二号工位的发射台执行任务的“寿命”将有望从原来的20次增加至50次。此外,二号工位的适应性将有所扩大——适应长征三号甲系列的所有成员。“可以说,改造后的二号工位,无论是发射能力还是设备的可靠性都有了显著的提高。”
  无疑,这次长三丙火箭的“首飞”对发射工位和火箭而言,都是一次磨合与挑战。它们完美的“处女秀”,必将又树立起中国航天技术实现飞跃的另一座丰碑。
  工艺完美“杂糅”巧化运输难题
  从一个个零部件到伫立在发射塔上整装待发的火箭,工艺在其中起着穿针引线的作用。此次长三丙火箭充分继承了“姐姐们”的技术优势,良好的工艺继承性固然给火箭零部件的生产和组装带来了一定的便利,但同时也给技术状态的控制带来了不小的“麻烦”。
  “长三丙火箭的生产和组装充分体现了继承性和创新性,一方面延用了长三甲火箭及长三乙的工艺方法,同时又有自己的技术要求。要想实现两者的完美结合,就给精度控制带来了困难。”211厂质量处副处长陈晓峰告诉记者,熟悉工艺操作的人都知道,如果操作中只是单一工艺,工艺流程很好控制。而现在出现两种技术状态,如果不把工艺尽可能地细化,就很容易出错。
  “就像两个参数不同的接头,要想实现最小误差的对接,只有尽可能地延伸精度。”据陈晓峰介绍,为了减免工艺操作上带来的误差,他们在人员配置上有一定的倾斜,“挑选干过长三甲火箭和长三乙火箭的工艺人员,同时又要对长三丙火箭的技术状态有一定的了解。有熟练的操作经历为参考,在火箭总装时,工艺人员才能保证自己能够时刻从“两种技术状态”中切换,以保证操作无误。
  尽管是一枚全新的火箭,但是陈晓峰却坦言“操作要得心应手很多”。原来设计人员之前考虑到的“三化”(通用化、系列化、组合化),让长三甲系列火箭的工艺得到了很好的继承。“我们现在应用在长三丙火箭上的具体工艺都是经过了实际考核,工艺很成熟,虽然是长三甲系列中的新型号,但是具体的工艺都在长三甲火箭和长三乙火箭上有过验证。”
  作为我国首枚结构外形非全对称的大型运载火箭,长三丙火箭的运输也让技术人员“有些头疼”。以前的火箭都是完全对称,技术人员通常会按照一级、二级、三级、助推分解到各个运输车里,这样能够保证火箭安装的精度不受影响。
  而原本安装在长三丙火箭一级上的一个尾翼接头却影响到了装车,只能拆卸后到靶场后再安装。为了确保精度匹配,设计与工艺决定火箭出发前先在箭体上打好孔,再做一个与接头精度一致的“模具”,这样能够最大程度的避免误差。然后在操作时,设计人员又提出,经过五天五夜的长途运输,如果壳体变形,尾翼很难与原先的“预留孔”完全匹配。而到了靶场之后,就没有处理这个问题的机会了,将导致火箭返厂。
  最终,设计与工艺大胆提出,一次不把孔打到位,根据以往的运输经验,在壳体上留出余量,到了靶场之后,根据模具再予以校正。
  一切尽在掌握。果然,经过“特殊处理”的接头确实在“意料之中”产生了误差,也在“误差”中得到了校正。设计人员按照事前的“预案”使那一只“翅膀”完美地和箭体咬合在了一起。
  三、携手姐妹迈进世界一流

   “长三丙火箭的最大意义是在长三甲火箭和长三乙火箭中间设立了一个‘台阶’——运载能力正好位于这两者之间。目前适合长三丙火箭发射的卫星还有相当数量,因此,长三丙火箭还有‘广阔天地可为’”。
  ——白拜尔(航天科技集团公司科技委顾问、天链一号工程总师)
  反观世界
  在中国运载火箭的发展史上,拥有两个助推器的长三丙火箭算得上是“开先河之作”。然而在世界运载火箭舞台上,长三丙火箭不是孤独的。
  欧空局发射的阿里安火箭,已经就有了两个捆绑助推器的火箭。该枚火箭于1980年发射成功,运载能力达到3吨。由于轻便、运载能力适应性广,阿里安火箭在国际发射市场上备受青睐。
  “和同类型的火箭相比,我认为长三丙火箭的技术水平是一流的。”龙乐豪举例告诉记者,国际上公认的一个标志火箭综合性能的参数是运载系数(运载火箭发射到特定轨道的运载能力除以起飞重量),长三丙火箭的运载系数大概为1.1%,约占世界第三位。“就像举重运动员一样,如果举同样的重量,体重轻的代表体能素质好,所以就能拿冠军。”
  “由于长三丙火箭具有较好的适应性,它的发射能力介于2.6吨和5.5吨之间,目前这个重量的卫星仍有相当数量,因此长三丙火箭还有市场。”据龙乐豪预计,该枚火箭的“服役期”应该不少于20年。
  展望未来
  目前长征家族可谓是“人丁兴旺”。在役型号主要有长二丙、长三甲、长三乙、长三丙、长二F、长二丁、长四乙火箭。这些不同类型的火箭,能够满足目前我国以及世界发射市场的需求。随着空间技术的发展,世界火箭市场上将呈现“百花齐放”的局面。印有“中国创造”的长征火箭,要想保持在世界发射市场的优势地位,仍具有较大的提升空间。
  据龙乐豪介绍,根据世界空间技术的发展以及我国国情、政治、军事、经济发展的需要,未来的“长征家族”必须有新一代小、中、大运载能力俱全的火箭类型,以便满足不同类型的卫星的发射需要。“就像商品一样,多种类型的商品,可以让用户有更多选择。”
  “绿色环保推进剂”也是长征火箭改良的一个方向。据悉,现在的长征火箭的推进剂还存在着一定的毒性,而新一代大运载火箭能够做到“无毒无污染”。
  “就像每个乘客都希望能够拥有一个舒适的乘坐环境一样,我们的火箭也将努力为它的‘乘客’——卫星,提供一个可靠、安全、舒适的环境。”未来的火箭,将减少对卫星的震动和噪音干扰,让卫星拥有一个舒适的“乘坐”空间。
  “一箭多星”也是未来火箭发展的趋势。一枚火箭能够搭乘多位“乘客”,并能按照乘客要求准点准时地把“乘客”送到指定“目的地”。在确保安全、可靠的基础上,火箭的“性价比”就更有了说服力。

  (黄希 文 左赛春 宋丽芳 武铠 摄)

 

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