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关于中国火箭的一些可以说的秘密,还有与美国斗智斗勇的往事

2019-08-23

原标题:关于中国火箭的一些可以说的秘密,还有与美国斗智斗勇的往事

从1970年,长征一号运载火箭将东方红一号卫星送上太空,让东方红的歌曲飘扬在太空中,至今已经过去近半个世纪了。去年5月17日,中国首枚民用火箭——OS-X火箭“重庆两江之星”号在西北某基地点火升空,标志着中国新兴商业火箭发射领域的形成。当今,面对多样性的外太空探索任务,中国火箭技术如何一步步发展起来?

路坤锋

路坤锋,中国运载火箭技术研究院,北京航天自动控制研究所高级工程师,主要从事火箭神经中枢——控制系统的研制工作,曾负责了多个型号火箭姿态控制系统的研制,并圆满完成了飞行试验。

我们可以把火箭看作成是一个人,一个人有身体、心脏、神经中枢。那这个火箭的身体是什么呢?火箭的身体有一个助推器,这个助推器包括芯级整流罩组成,它的心脏就是由发动机组成,神经中枢则由控制系统组成。

如果火箭是人的话,它的职业是什么呢?我们可以把它看成是一个自主的快递员,就是把我们的货物,运送到我们的目的地。我们的货物有卫星、载人飞船、空间站。火箭把它送到我们的目的地——轨道。

为了让大家更好地了解火箭、认识火箭,我将从几个事件,一一为大家做讲解。

东方红一号卫星发射升空

01

1970年的4月24号,东方红一号卫星发射升空,使我们国家成为继苏联、美国、法国和日本之后,第五个能够独立地掌握卫星研制和发射的国家。这颗卫星这个重量不重,只有173公斤。目前看来,它的这个载荷重量很小,但是当时,在这个卫星发射的时候,已经超过了其他4个国家的这个首次发射卫星的重量的总和,引起了全世界的关注。

这颗卫星它的自主快递员是谁呢?就是我们长征家族当中的老大哥,长征一号运载火箭。长征一号运载火箭,在它的兄弟图谱当中比较小。它的身高不到30米,29.5米,腰围是2.25米,起飞重量是81.5吨,近地轨道的运载能力有300千克。长征一号的火箭的成功研制,把我们国家探索太空之旅打开了,迈出了坚实的一步。长征一号运载火箭也为后续火箭家族的诞生和成长,奠定了基础。

发射奥星成功

02

烟盒

手表

这是西昌卷烟厂在1992年印制的一个烟盒,上面记录了一个事件,跟我们航天火箭的发展密切相关——奥赛特,全称是奥赛特B通讯卫星。这个是1992年的一款纪念发射奥星成功的一块手表,非常有纪念价值和意义。

1992年的8月22号,《人民日报》头版头条报道了一个事件,标题是《龙头永远是高昂的记中国卫星发射业走向世界》,记录了我们中国运载火箭长二捆火箭发射奥赛特B通讯卫星成功,并且把它精准地送入到轨道,达到世界先进的一个水平。它的自主快递员就是长征二号捆运载火箭

这个长征二号捆运载火箭跟它的老大哥相比,身高高了很多,体型也强壮了很多。它的身高已经达到49.7米了。它的腰围是3.35米。它的起飞重量就更大了,达到了462吨。它的近地轨道的运载能力是多少呢?9.2吨。也引起了世界的关注和重视。这个火箭的诞生非常曲折。背后能让它成功成长的有三个因素。

上个世纪的80年代,正是我们国家这个改革开放的关键时期,我们的经济由计划经济向市场经济转型。我们的火箭也想走出商业航天这关键的一步,这是第一个因素。

在上个世纪80年代,卫星发射市场也迅速地扩大。但火箭的发射能力跟不上卫星发射市场的需求,矛盾也越来越大。当时在世界上能够发射卫星的这个国家,是被美国和欧洲垄断。能够发射通讯卫星的只有美国的大力神火箭和欧洲的阿里安火箭,也叫阿丽亚娜这样系列的一个火箭。一些急需发射卫星的客户要排很长时间的队伍,有的甚至要排上几年。所以他们也希望有新的火箭能够载荷送入太空。这是第二个因素。

上个世纪80年代,是世界航天一个非常艰难的时期。1986年的1月28号,美国的挑战者号航天飞机发射升空,在73秒以后发生了爆炸,在一声巨响当中。7名航天员都不幸遇难。这是非常严重的一个航天的灾难事件,因为73秒飞得不是很高。

美国为了这个巩固其在卫星发射领域的地位,他们启动了大力神和德尔塔运载火箭,进行了发射。但不幸的是,这个大力神火箭在起飞8.5秒后,也发生了爆炸德尔塔火箭然后也在升空不久,发生了爆炸,身葬大海

这个时候,急需卫星发射的客户就将目光投降了阿里安运载火箭。但在1986年的5月31号,阿里安运载火箭也发生了动力系统故障,无法将他们的载荷卫星送入到一个指定的轨道。这个事件直接导致阿里安火箭的发射推迟了16个月,他们也因此损失了有7亿这个法郎。

这三个因素直接也推进了我们长二捆火箭的研制。经过多轮的谈判,在1988年的12月31号,我们与美国的休斯公司签订了发射奥星的合同。休斯公司是美方的,美国的公司又是我们的竞争对手。也就是说,我们的甲方又是我们的竞争对手,所以可想而知,他们提出来的条件肯定是比较严苛的。

第一,美方这个公司不给我们预付任何的经费;

第二,不给我们提供关于这颗卫星的任何的技术的材料;

第三,让我们在发射这个颗奥星之前,一年以前要完成一次正常的卫星发射;

第四,如果我们无故推迟或者发射失败,中方将给美方赔偿100万美元的经济赔偿。

是不是比较苛刻?但是对我们来说,这个机遇与挑战并存。最终我们还是签下了这个合同。签下这个合同以后,带给我们的有三个主要的困难和问题。

第一,时间特别紧张。从我们签订这个合同到我们这个火箭,长二捆火箭首次发射升空,只有18个月。就连当时美国聘请的史密斯专家都说,中国人在18个月里头要研制出这样一枚火箭,绝不可能。

第二,钱。因为以前我们是计划经济,项目立项以后就会有财政的拨款。但这个项目没有,它是商业航天。所以在各级领导的这个指导下,我们进行了贷款筹资。

第三,技术。我们在签订这个合同的时候,没有研制这个火箭,它是纸上谈兵。我们只在图纸上就画了一个长二捆火箭的构型,我们要研制这样一个火箭,就签下了这个合同。

1990年7月16日,长征二号捆绑式运载火箭发射成功

18个月里的前三个月,我们要完成44万张图纸的设计,并且要安排8000多个生产的任务。但是航天人在这个过程当中没有退却。我们在18个月以内完成了长二捆火箭的研制任务。而且把奥星精准地送入到轨道,当时超过了被世界上认为入轨精度最高的亚洲一号,达到了世界的先进水平。长二捆火箭而且还攻克了以火箭的捆绑及捆绑控制技术为代表的30多项关键的技术,为后续火箭的一个研制,奠定了非常好的一个基础。也为我们国家走出国门,走出商业航天,迈出了非常坚实的第一步。

杨利伟·神舟五号

03

就在长二捆成功发射奥星后的第二个月,1992年9月21号,中央政治局常委会成立了载人航天专项工程,代号“921工程”,自此,中国载人航天事业正式拉开序幕

921工程在我们航天业界被认为是20世纪末21世纪初这个规模最大、技术最复杂的一个航天技术。这个事件成功的标志是什么?就是2003年的10月15号,杨利伟先生乘坐神舟五号飞船飞入太空,围绕地球然后旋转14圈以后,于16号的早晨返回地球。

返回地球以后,杨利伟先生摆出了一个V字,也向全世界表明了,中国是继俄罗斯和美国之后,第三个能够独立掌握这个载人航天技术的国家。

这个事件成功的自主快递员是谁呢?就是长征二号F运载火箭。载人航天什么最重要?可靠性、安全性。所以在我们立项之后,工程师就针对这两个问题进行了研制。长征二号F运载火箭目前还保持着现役运载火箭家族当中身高最高的——58.3米。它的腰围也是3.35米,起飞重量是480吨,近地轨道的运载能力是8.1吨。它的安全系数是0.997,达到了世界的先进水平。

对于一个常规的火箭来说,火箭上都有一个自毁的装置,目的主要有两个。一个是使火箭不要掉落在我们人口比较密集的地方,这样的话会给人民的生命财产带来很大的威胁。第二,也不能让火箭飞出国境。但是我们载人航天肯定不能安装这样的装置。所以我们增加了两个系统。第一个系统是故障检测处理系统,第二个系统是逃逸系统

故障检测处理系统主要工作就是实时地监测我们的参数,一旦发现火箭有重大故障,就发出逃逸指令,按照模式进行逃逸。逃逸塔就是故障检测处理系统的一个执行机构。逃逸塔是在火箭点火前900秒到点火以后起飞的120秒进行工作。这个时候火箭的高度是从0公里一直飞到了40公里。一旦火箭经过故障检测处理系统发现故障后,这个火箭就将通过这个逃逸塔,将这个返回舱和轨道舱拽离,落入一个安全的地带,然后保证航天员安全。

如果从40公里到110公里这个区间段发生了故障,我们可以通过高空分离发动机进行逃逸。如果在110公里到200公里这个阶段发生了故障,我们可以利用我们飞船上的发动机与二级火箭进行分离,然后进行紧急的返回。

假如这个航天员这个时候在发射塔架上,还没有进入火箭,还没有进入飞船,这个时候出现了故障怎么办呢?在这个发射塔架上,我们安装了一个逃逸布袋。这个逃逸布袋类似于软滑梯,航天员可以迅速地跳入,然后通过自己的四肢控制自己下落的速度。从发射塔架上迅速地达到我们地下安全的区域。严、慎、细、实,是我们工作非常重要的一个方面。

到目前为止,长征二号F运载火箭自研制以来已经成功地将5艘无人飞船、5艘载人飞船、两个空间站、11名航天员送入太空。它的成功率到目前为止是100%。所以这个长二F运载火箭也被称之为是神箭。

探月工程

04

2007年的10月24号,嫦娥一号飞天成功开启了我们国家探月工程绕落回绕的第一步,而且这次发射首次采用了零窗口发射。零窗口就是我们预设窗口分秒不差地进行发射。2010年的国庆节,我们的嫦娥二号飞天成功,也是首次被送入到了一个这个地月转移轨道,拍摄了第一张洪湾的高清影像图。在2013年的12月2号嫦娥三号飞天成功,实现了我们国家首次的一个地外星体的软着陆,这个探测器还释放了一个玉兔号的月球探测车。而且在2016年的时候,国际天文学联合会为了表彰我们的探月工程所取得的成绩,把我们这个探测器着陆地区的周边区域,命名为广寒宫。

去年的12月8号,我们的嫦娥四号飞天成功了,实现了全人类首次在月球背面的着陆,而且也拍摄了一张月球背面的这样的一个全景图。这个全景图也向全世界表明了,月球的背面并没有吴刚,也没有外星人的基地。这个探月工程它的自主快递员是谁呢?就是长三甲系列三兄弟

长三甲系列“三兄弟”

在我们这个探月工程开展的同时,我们另外一项国家专项工程——北斗导航工程也在如火如荼地开展。北斗导航工程,是我们国家自主研发的一个自主知识产权的一个导航系统,在我们国家的国防安全和经济发展当中,起到了关键作用。截止到今年的5月17号,我们已经成功地将45颗这个北斗导航卫星,送入太空,它们进行了一个组网,使得北斗导航这个卫星它的作用发挥得越来越大。北斗导航工程的自主快递员也是我们的长三甲系列的三兄弟

我们的长三甲三兄弟有长三甲、长三乙和长三丙三个火箭。它们三个火箭的身高差不多。长三甲稍微矮一点儿,52.5米。长三乙和长三丙的身高都是54.8米。他们的腰围都是一样的,一二子级是3.35米,3子级是3米。不同之处是长三甲没有助推级,长三乙有4个助推级,长三丙有两个助推级。这个主要的目的就是增加这个火箭的一个运载能力。所以它覆盖能力比较宽,任务量就比较大,所以它就成了全明星火箭

长征七号

05

长征七号火箭和长征五号火箭是新一代的中国运载火箭。一个是中型运载火箭,一个是大型运载火箭。2017年的4月20号,天舟一号货运飞船飞天成功。

它主要的工作就是跟天宫二号进行交会对接,进行补给。所以这个天舟一号也被称之为补给的排头兵。它的重量就接近13吨了。这个火箭它的自主快递员就是我们的长征七号运载火箭

长征七号运载火箭是一个新型的运载火箭。它的身高是53米,不是很高,但它的助推级提高了,从15米直接提高到了约这个27米,目的是提高它的运载能力。那它的起飞重量这个时候就提高到597吨,运载能力是近地轨道13.5吨,所以它可以完全地去承载载荷将近13吨的天舟一号的发射任务。

这个实践的新有三个特征,第一个,在设计阶段采用了数字化设计。我们原来的设计是画图纸,但我们在设计这个火箭的过程当中采用了数字技术,直接从连环画过渡到了3D电影。第二个新就是它的研制,采用了一键式加工。一键式加工就直接提高了火箭的加工质量和效率。第三个就是这个火箭在它的装配和实验过程当中,我们还采用了就是虚拟现实技术

它首次采用了无毒无污染的一个这个推进剂——液氧煤油推进剂,它的成本是常规推进剂的十分之一,但它将这个火箭的比冲提高了20%,推力直接提高了60%。这个火箭采用了140多个先进的软件技术,是常规火箭的使用软件的30倍以上。所以它的可靠性得到了很大的提高,到0.98。所以它可以完全地满足我们载人航天空间站这样建设的一个需求。

长征七号运载火箭的一个首飞的成功,也为我们国家这个空间,载人航天空间实验室的建设奠定了基础,开了一个好局。这个天舟一号排头兵的发射成功,也为后面这个空间站的建设打下了基础。

东方红一号卫星发射升空

06

中型运载火箭的运载能力还是不足,我们要研究大型的一个运载火箭。在未来比如说从月球上采集月岩返回,需要大的运载能力。第二个就是载人航天空间实验室,它的核心舱和实验舱,都在20吨以上。第三个是因为我们还有外太空探测的任务,这些都需要一个大型的运载火箭。

在这种需求的影响下,2016年的11月3号,长征五号首飞成功。长征五号现在不是长征家族当中最高的,它的身高是约57米,但它是最胖的。它的芯级是5米,4个助推级每一个是3.35米,身宽体胖,直接让它的这个起飞的这个重量得到了增加,接近到867吨。它的近地轨道的运载能力达到了25吨级,地球同步转移轨道的运载能力是14吨级。因为它很胖,所以我们把它称之为是五。

长征九号

07

在航天领域,有这样一句话:火箭的运载能力有多大,航天的舞台就有多大。未来我们还要飞得更高、更远。在这种背景下,我们长征九号运载火箭诞生了。

长征九号有点像中国的姚明,是一个巨人。它身高约100米,30多层楼高。它的腰围有多大呢?芯级约10米,4个助推级每一个5米,就是长五的这个芯级的重量。它除了有个庞大的身体,它还有一个强大的心脏,同时这个火箭的神经中枢系统也会更智能。

因为这个火箭在研制当中,也请大家关注它的研制过程,我们拭目以待它的首飞成功。

长征十一号

08

今年6月5号,海上发射一箭七星,就是这个长征十一号。长征十一号是一个小兄弟。它诞生的晚,另外它确实比较小,只有20.8米,但它心脏是新的,有一颗固体的心脏。它之前火箭的心脏都是液体的心脏,固体的心脏易于储存,能够实现从这个火箭发射基础准备到发射,小于一个小时,发射能力就非常地快。对我们一些探险救灾微小卫星的一个发射,就能起到非常好的这样的一个能力。这个也是我们国家首次在海上发射,也填补了我们国家海上发射的空白。

长征11号海射版(CZ-11H)在海射平台上准备竖起

上面就是长征系列火箭8个有代表特色的成员,代表了我们这个中国运载火箭的发展。从1970年的4月24号,长征一号运载火箭把东方红一号卫星送入太空,再到1992年的8月14号,长二捆火箭将奥星精准入轨,这个过程当中,我们的火箭事业从无到有,从弱到强,从国内走向了国际。

第二个阶段是在我们国家重大专项工程的牵引下。在我们的载人航天、探月工程、北斗导航工程这些需求的牵引下,我们火箭的这个运载能力、可靠性和安全性,得到了一个快速的提升,达到了世界一个先进水平。

然后随着我们新时代下的需求,我们研制了无毒无污染,大运载的长七和长五这样的运载火箭,而且随着我们进入太空走得更深更远更高,我们正在研制长九重型火箭。未来我们还会研究运载能力更强的火箭。

所以也希望大家能够热爱航天、关注航天,投身航天,建设航天。

Q

听说美国有一家公司它已经研制出了垂直着陆并且可以回收利用的火箭,而且还完成了一个相关的飞行验证,所以想请问您,咱们航天院做了哪些工作?

路坤锋:

垂直回收制导控制技术是可重复使用火箭的非常关键的一个技术。那随着目前的一些商业航天的发展,以及我们外部的竞争的一些的压力,还有我们现在的可重复使用运载火箭的工程研制的一个需求,我们院在去年成立了一个攻关的团队,我们自筹资金,然后专门攻关垂直着陆的制导控制技术

我们采用的方式就是理论研究加工程设计加实验验证的一个模式,而且我们也研制了我们自己的一个与真实火箭性能相当,等比缩小的一个飞行器。并且在去年完成了多次的悬停和垂直起飞和降落的这样的实验。而且在这个过程当中,我们也验证了包括规划技术、精准导航技术、多执行机构异构体的高精度垂直着陆的姿态控制技术为代表的一批技术。

可以说在这个垂直着陆可重复使用火箭技术方面,我们也做了很多的一个储备,而且也为我们这个可重复使用火箭的工程的研制以及商业领域的拓展,奠定了一个理论的支撑和技术的支持。

编辑:纪小婧、晓静

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