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闖難關:重型火箭發射前準備可不少

來源:中國航天報作者:常飛責任編輯:黃敏
2022-08-23 08:36

8月10日,美國聯邦通信委員會批準了“星艦”重型火箭項目的無線電頻譜測試半年許可證,但其他方面的評估仍有很多,導致“星艦”不可能按原計劃于8月進行首次入軌級發射,而美國太空發射系統(SLS)重型火箭基本準備就緒,有望于8月29日首飛。

轉場中的太空發射系統(SLS)重型運載火箭

眾所周知,重型火箭執行的往往是具有戰略意義的航天任務,不但結構復雜,而且價格昂貴,首飛的風險很大,因此科研團隊非常謹慎。那么重型火箭在發射前需要注意哪些問題呢?有哪些難關必須闖過去?讓我們一探究竟。

“關口”很多要小心

重型火箭發射前,必須通過一系列檢查測試,而很多大眾心中“無關緊要的小事”往往會成為“攔路虎”。

正所謂“打鐵還需自身硬”,火箭本身合格是正常發射的前提。重型火箭和中小型火箭雖然技術原理相同,但龐然大物的電氣系統要復雜得多。特別是重型火箭上有大量火工品,用來執行助推器分離、級間分離、整流罩分離之類的動作,零件是否過檢,供電線路是否正常,決定了重型火箭飛行成敗,當然也是測試重點。

火工品的流體管路工作是否正常,是牽動科研人員緊張神經的關鍵環節。

一般來講,火箭的流體管路包括執行動作的液壓管路以及給發動機供應燃料的燃料管路。固體火箭可能沒有燃料管路,但液壓管路是不可缺少的,況且現有的重型火箭方案都“主打”液體型號。

在流體管路的檢查中,重點是各種閥門、接頭。采用液氫、甲烷等低溫燃料的重型火箭管路檢查尤其讓科研人員如履薄冰,因為金屬材料在低溫下容易失效,進而導致火箭發射失敗,類似事故已不止一次發生。

不過,隨著技術進步,已經出現了用冷推系統來取代火工品的新概念方案,未來重型火箭或許有望減輕測試工作負擔,更高效更可靠地飛天。

制導導航控制系統的測試,往往被稱為電測。這涉及到方方面面,包括遙測遙控系統的對地通信、陀螺儀是否工作正常,從控制系統到執行機構的鏈路是否響應及時等。萬幸的是,重型火箭在這些方面精益求精,從以往的飛行過程看,制導導航控制系統出問題的概率很小。

重型火箭發射前通關的“最大BOSS”是誰?當然是發動機。尤其是重型火箭第一級越來越流行多發并聯方案,所有發動機和渦輪泵是否正常運轉,主燃燒室能否同步正常點火和噴射,直接決定了重型火箭能否離地起飛,甚至涉及到發射臺和觀眾們是否安全。因此,重型火箭在發射前都要對第一級反復試車,對單臺發動機測試之后,還要整級、整箭測試。

重型火箭自身通過考驗,發射任務就一定能成功嗎?顯然不是這樣的。航天工程包羅萬象,自然氣象條件也是巨大的考驗。

無論發射場的選址如何講究,都會遭遇不利天氣,包括沙塵暴、雷電、颶風、暴雨等。就連哈薩克斯坦拜科努爾這種地處內陸、強調穩定可靠因素的發射場,仍會遇到風雪極寒天氣,影響流體管路的操作。

另外,火箭起飛后,科研人員很擔心飛行路徑上有高空切變風。它帶來的風險不小,可不能指望重型火箭靠大質量“硬扛”。

多招消除提心吊膽

“土星5號”是航天史上最成功的重型火箭,科研人員只用了6年,就完成了從論證到首飛的整個流程。之后的6年里,13枚土星5號重型火箭先后發射,無一失敗。考慮到20世紀60年代的技術水平,這個成績堪稱奇跡,而背后是復雜的技術措施和優秀的工程管理能力。

土星5號重型運載火箭發射升空

比如,科研團隊從一開始就把“降低操作系統復雜程度”和“設計更好的力學系統”放到與“增加推力”同等重要的地位。美國宇航局不惜斥巨資建設了當時最先進的航天控制計算機系統,可以掌握土星5號重型火箭從起飛前檢測一直到拋棄第三級的全部操作過程。

通過測量加速度等指標,計算機迅速掌握火箭的位置和速度,及時修正可能的偏向。萬一火箭出現安全事故,控制中心會及時發出指令,爆破切斷燃料和氧化劑箱體并迅速釋放燃料,給航天員留下逃生時間。

相比之下,蘇聯N1重型火箭是個悲劇和反面教材。由于核心設計人員變動、政治干擾等原因,蘇聯航天部門急于求成,沒有足夠的時間來完善設計和發現問題。

這款火箭每次發射失敗都暴露出了不同的設計缺陷,包括控制系統邏輯不合理、渦輪泵和發動機管路防爆措施不到位、發動機推力和火箭氣動外形匹配不佳等。究其原因,應該是科研團隊沒有進行充分的地面試驗。可以說,失敗的禍根在火箭發射前就已埋下。

蘇聯N1重型運載火箭

此后,蘇聯能源號重型火箭科研團隊吸取了教訓,扎扎實實地通過地面測試,成功將暴風雪號航天飛機送入預定軌道。可惜不久之后蘇聯解體,俄羅斯經濟環境使這款重型火箭“壯志未酬”。

有航天愛好者開玩笑說,馬斯克也許是全球最心寬的航天開發者,因為在SpaceX公司的航天器開發過程中,飛船和火箭爆炸了不知多少次。其實,科研人員是在一次次爆炸中不斷改進設計,使高難度技術成熟,逐步邁向成功。獵鷹9火箭第一級回收技術、“星艦”垂直起降所用的捕捉臂技術都是這樣“一路炸出來”的。

“星艦”追求全面回收,技術復雜性要遠遠超過繼承大量成熟技術的太空發射系統重型火箭,所以SpaceX公司正在很小心地進行反復測試。

7月12日,“星艦”第一級測試遭遇爆炸火災,所幸受損不大。8月11日的試車中,“星艦”第一級的“猛禽”發動機持續燃燒了20秒,第二級即飛船也點燃了2臺發動機,工作正常。目前,“星艦”第一級陸續對部分發動機進行輪流試車,后續參與同步試車的發動機會越來越多,但還未成功進行33臺發動機全體試車,而這樣的測試是必不可少的。

“星艦”測試時發動機發生爆炸

按照簡單估算,“星艦”首飛箭成本即使達到SpaceX公司宣傳的5000美元/公斤“超低價”,且發射載荷保守限制在50噸,發射費用也會達到2.5億美元。顯然,追求利潤的商業航天公司無論如何也不會任憑這樣一筆錢白白浪費。

不過,“星艦”項目剛拿到無線電頻譜測試半年許可證,還需對噪聲、交通、動物保護、基地工作時間等進行數十項改進,其規劃的“9月初首飛”能否成真仍不確定。

本文原載于《中國航天報·飛天科普周刊》8月20日一版

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