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“动力”西安造 “大脑”西安造

“胖五”归来

2019-12-28 03:43:01进入论坛

12月27日20时45分

长征五号遥三运载火箭在文昌航天发射场升空

2000多秒后,与实践二十号卫星成功分离

将8000公斤重卫星送入预定轨道

12月27日20时45分,长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,2000多秒后将实践二十号卫星送入预定轨道,发射飞行试验取得圆满成功。此次发射飞行试验主要考核长征五号火箭总体方案、各分系统方案的正确性、协调性,对后续航天任务的相关关键技术进行验证。

长征五号运载火箭又被人们称为“胖五”。其芯级直径达5米,身高约57米相当于20层楼高,在运往发射场的过程中需要“坐船”。个头大,推力也大,地面起飞推力达千吨,近地轨道运载能力25吨(“长五”之前我国的近地轨道运载能力仅有9吨左右),地球同步转移轨道运载能力达14吨。能一次性将重达25吨的航天器(相当于10多辆轿车的重量)送上太空;能一次性发射重达8吨的月球探测器,是嫦娥四号总量的两倍多;对于更遥远的太阳系,也能一次性发射重达4吨的深空探测器。2016年11月13日首飞成功后,长征五号已成为我国运载能力最大的火箭,是目前我国火箭家族成员中当之无愧的“大哥”和“王者”,是中国迈向航天强国的入场券。

这是长征五号遥二火箭2017年飞行失利后的首次发射。本次发射的圆满成功,也为我国后续载人航天工程、探月工程、深空探测等多项国家重大专项任务的实施,奠定了坚实基础。

本次被“胖五”送入预定轨道的实践二十号卫星,搭载的是“东方红五号”卫星平台。卫星重达8000公斤,是我国目前已发射卫星中最重的卫星。

解读1

为“冰箭”造芯到底难在哪?

一次故障分析会就邀请了25位院士参加

长征五号运载火箭又被人们称为“冰箭”。本次发射的长征五号遥三火箭,全部动力由总部位于西安航天产业基地的中国航天科技集团有限企业第六研究院(简称六院)提供。

火箭上共有30台共四型发动机,分别是8台120吨级液氧煤油发动机(四个助推,每个使用两台)、2台50吨级氢氧发动机(芯一级火箭使用)、2台9吨级膨胀循环发动机(芯二级火箭使用),18台姿控发动机。其中,50吨氢氧发动机是世界上温度最低的发动机,采用的液氢、液氧推进剂温度分别为-253℃和-180℃。

2017年7月2日,长征五号遥二火箭发射失利,芯一级大推力氢氧火箭发动机出现故障,使六院火箭发动机研制队伍承受了巨大的压力与考验。

氢氧火箭发动机

为排除故障25位院士参与故障分析会

据不完全统计,为排除隐患,消除故障,仅2019年二三季度,航天科技集团六院北京11所氢氧发动机研制团队累计加班就达到23000小时。

两年来,北京11所借助航天科技集团和六院的力量,利用一切有效资源,开展故障隐患分析排查工作。中科院、国防科技大学、清华大学、北京大学等院校,航天科技集团、航天科工集团、航空工业集团的各大研究院所,共20多家单位的数百名专家、学者,共同开展归零分析,联合进行课题研究。

“大家先后组织了百余次故障分析会及专题会”,该所主推进发动机设计部主任郑大勇说,印象最深刻的一次评审,是25位院士及5位大学教授作为特邀专家,听取发动机研制工作情况,提出意见建议。

六院科研生产计划部王愿宁先容,液氢液氧推进剂可以为“胖五”减负增力,但它们极低的温度也给研制人员带来了不小的烦恼。

首先,液氢温度低至-253℃,什么材料能经受住如此“极冻”呢?对氢氧发动机的研制来说,寻求适合的制造材料,本身就是一个难点。

其次,发动机零组件众多,加工和装配时在动态组件和静态组件之间存在一定间隙。发动机在常温状态制造和装配,由于热胀冷缩,若在低温时间隙变大,振动和摩擦随之而来;若间隙变小,动静组件抱得太死,又会影响发动机的正常工作。

再者,液氢本身密度很低,给液氢加压也很难。给液氢加压的涡轮泵,转速必须提升到常规发动机的两倍以上才能保证发动机性能。正因如此,在低温高压高速大热流的严酷力热环境下,氢氧发动机既要经受-250℃的极严寒环境,又要经受3300℃的极热环境的巨大考验。

液氧煤油发动机

装配人员呼出的二氧化碳都被视作多余物

作为长征五号遥三一级火箭助推器的8台120吨级液氧煤油发动机,承担着火箭起飞90%的总推力,它的产品质量与可靠性,对于确保长五遥三发射至关重要。从新一代运载火箭首飞以来,120吨级液氧煤油发动机在多次飞行中不断印证着高可靠性。本次“胖五”发射,该型发动机从细节入手,为实现火箭快、准、稳发射不断完善和提升。

六院11所低温推进剂发动机研究室主任徐浩海先容,以往常规火箭装配,细小的头发丝被称为多余物,而对“胖五”而言,装配人员在舱体呼出的二氧化碳都被视作多余物。如果不及时进行气体置换,二氧化碳会在低温状态下冻结成固态。

“胖五”发射时,作为助推发动机的8台120吨级液氧煤油发动机和芯一级动力的2台50吨级氢氧发动机几乎同时点火。其实,在120吨级发动机起动之前,还有个环节被设计人员简称为“强吹”,就是在即将点火前向发动机燃烧室“强制”吹入高压氮气。这种氮气可以改善最先点火燃烧的组件的工作条件,让发动机点火时压力等关键参数稳步上升,实现点火瞬间的“快且柔”。

辅助动力系统

让“胖五”也能“柔可跳优雅小芭蕾”

六院专家先容,为“冰箭”特别定制的辅助动力系统,包括了18台姿控发动机以及配套的气瓶、阀门、管路和贮箱。他们就装配在火箭二级氧箱尾部,负责火箭二级发动机滑行阶段的推进剂沉底管理、姿态控制,和星箭分离前的末速修正。

这些成人用单手就能抓住的小小发动机,要累计工作数百次,为火箭飞行保驾护航。而火箭飞行时,它们必须要承受强烈震动和冲击,以及冰冷和炙烤等恶劣的工作环境。

如果说液氧煤油发动机和氢氧发动机让“胖五”有了壮可练金刚拳铁砂掌的气魄,那么辅助动力系统就让“胖五”具备了柔可跳优雅小芭蕾的完美身姿。

解读2

实践二十号卫星的大容量通信技术有多牛?

相隔36000公里“针尖对麦芒”的天地大容量信息传输

实践二十号卫星上的主要有效载荷,均由位于西安航天产业基地的中国航天科技集团企业第五研究院西安分院提供。该卫星承载着我国航天发展新领域、新技术、新产品的实验使命,是我国推动航天新技术和新平台发展再上新台阶的又一块重要的“太空试验田”,将要验证的技术中包括了多项先进的大容量通信技术。尤其是激光通信技术,可以说是相隔36000公里“针尖对麦芒”的天地大容量信息传输。

Q/V载荷

使通信容量巨增

飞机上召开视频会议成为可能

实践二十号卫星副总设计师周颖先容,2017年我国发射的首个高通量卫星实践十三号卫星,可以使地面用户能享受到卫星宽带互联网服务。与实践十三号相比,实践二十号卫星上搭载的西安分院研制的Q/V载荷是未来高通量通信卫星和超高通量通信卫星关口站主要使用的载荷,代表着未来高通量卫星发展的方向。

“如果将传统通信卫星的信息传输能力比作是普通公路,高通量卫星就是高速公路,使用Q/V载荷、能够实现通信容量在1Tbps以上的超高通量卫星则相当于50条高速公路。相比微波传输使用的Ka、C、UHF频段,Q/V载荷工作在毫米级的高频段,带宽更宽,可以满足更大容量卫星通信的需要。”

周颖先容,高通量卫星的应用主要是通过地面段关口站来实现,卫星地面段关口站就是宽带互联网的控制中枢。它通过光缆与互联网连接,然后再与卫星建立通信链路。这样,身处飞机、舰船以及偏远地区的用户,通过高通量卫星这个“信号中转站”,就可以享受宽带互联网服务。

“采用传统技术的卫星,一个地面关口站的容量最多能够达到10Gbps。而实践二十号卫星通过Q/V载荷能达到40Gbps容量,相当于建设了传统卫星四个地面关口站。以后在飞机上召开视频会议,从技术上来说都是没有问题的。”

激光通信

实现相距36000公里

天地间的大容量信息传输

西安分院激光分系统主任设计师张文睿先容,激光通信是解决未来卫星高速数据回传的有效手段之一,也是未来建设天基信息网络中星间通信的主力。相比传统的微波传输,光宽带在传输过程中几乎不受带宽限制,可以实现大容量的卫星通信和数据传输,且速率高、保密性强。由于国内激光技术研究基础薄弱,导致激光通信成为一块技术“凹地”。

“这次在实践二十号卫星上,由西安分院研制的激光终端将作为激光通信的载体,通过激光载波承载高速信息传输的方式来实现星地和星间通信。作为重要实验载荷之一,激光终端要实现在轨准确指向,并捕获地面站信号实现星地通信,每秒传输Gbps量级容量的信号,这是激光终端实现在轨搭载的意义所在,也是该项试验任务成功的标志。要知道,实践二十号卫星是运行在地球同步轨道上,这就相当于在相距36000公里的天地之间进行‘针尖对麦芒’一样的瞄准,只有顺利捕获地面信号才能实现通信。但西安分院在研制过程中,已先后解决了激光通信过程中光学集成、捕获跟踪、高速通信等难题。这次在实践二十号卫星任务中,西安分院将实现激光终端在轨的星地通信,可以实现10Gps的通信速率。而传统微波通信,做得比较好的也只有1~2Gbps。”

柔性转发器

让信息从“平均分配”到“按需分配”

周颖先容,由五院西安分院为实践二十号卫星研制的宽带柔性转发器可以将频率资源进行详细划分,并通过在轨网络管理实现多用户的灵活使用,提升星上通信资源的使用效率。“在轨使用时,宽带柔性转发器通过在轨网络管理自动分配链路,在用户使用结束之后,将链路分配给其他需要使用的用户。就好比地面手机通信基站信号通路的灵活分配一样,如果有1万个用户,由于手机用户不可能同时在线使用,那么有1千条线路就基本可以满足所有用户的使用。而传统的卫星转发方式,只能实现固定用户固定通道的信号传输。另外,卫星发射之后,如何使卫星发得出、收得住?这就需要地面的测控来实现。五院西安分院为该卫星研制的高精度应答机将对卫星的测控精度由以前的几十米提高到厘米级,实现了对卫星测控质的飞跃。这便是精密定轨技术和方法。”周颖说。

解读3

控制长五准确派单的“大脑”也是“西安造”

长五的“大脑”也是“西安造”。在本次发射任务中,位于西安的中国航天科技集团有限企业九院七七一所,为长征五号遥三火箭配套研制了地面测试计算机、箭载计算机等箭上和地面整机产品共7种、14台/套,为任务成功保驾护航。

长五箭载计算机是国内史上最强“火箭大脑”

据九院七七一所总工程师柴波先容,箭载计算机是火箭控制和精确入轨的关键保证。要在空中实现“无人驾驶”,最后准确完成“派送任务”,离不开位于西安的航天科技集团九院771所研制的国内史上最强的“火箭大脑”——长五箭载计算机。

箭载计算机能够完成箭体姿态参数录取、飞行轨迹误差修正,以及控制指令输出等多项复杂的控制任务,确保火箭的稳定飞行。而且,长征五号火箭控制系统可以确保即使在一度故障的情况下,箭载计算机仍可完成火箭的实时控制和信息综合。

为了保证“智能大脑”的健康,在长五箭载计算机内部还设计了特有的“听诊器”,能够自动听诊飞行控制App运行过程中的各类重要参数,并在不需要App参与的情况下,将参数自动组帧下传至地面测发控系统存储。这套“听诊装置”,称之为总线监控技术。该技术可以使控制系统在不修改飞行程序控制流程的情况下,获得更多的实行过程原始数据,及时、有效地发现系统中存在的隐患问题,为系统的故障定位提供判定依据。

地面计算机可时刻为火箭进行“体检”

为了确保安全,长征五号发射任务专门建立了地面测试控制系统,对火箭进行发射前的“体检”和发射过程中的检测。

771所研制的地面测试计算机、光纤惯组信号采集处理系统等地面单元测试计算机,均是地面测试控制系统设备,用于对火箭控制设备进行实时测试。

在火箭发射前,地面测试计算机及时检测箭上设备的状态,确认火箭发射前一切状态正常,保证火箭发射后进入轨道飞行前,准确采集火箭姿态等信息,实时计算、处理、传递和实行各种指令,使火箭按照规定轨迹飞行,实现准确入轨。

此外,光纤速率陀螺如同人的“小脑”,主要用来表征火箭方向和姿态,其准确度与火箭入轨精度紧密相关。发射前,光纤速率陀螺的体检是由地面机光纤惯组信号采集处理系统来完成。通过对陀螺数据的采集分析,实时检测陀螺的工作状态,为火箭的正常运行提供保证。 本版稿件由美高梅贵宾报记者 马虎振 采写

新华社记者 陈晔华 摄

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