酒泉卫星发射中心,火箭转运的时候为什么要在脐带塔上挂辆卡车?

矢不虚发、弦无虚发、弹无虚发、百步穿杨、百不失一、百发百中……

作为中国人,对以上成语肯定都不陌生。人类自从有了狩猎工具和战争的武器,不论是石镞、铜镞、强弩还是枪炮,命中目标都是技术创新的关键。新中国建立以来,我们从零起步靠独立自主、自力更生的创新精神,完成了“两弹一星”、“载人航天”等诸多让世人瞩目的科技创新工程。《2021中国的航天》白皮书介绍自2016年以来,我国在航天领域的重大工程和科学应用等方面取得的丰硕成果,2016年至2021年12月,共实施207次发射,长征火箭发射成功率96.7%。那么中国的航天有什么特殊创新技术才有如此高的发射成功率呢?

1960年代末,被誉为俄罗斯“民族英雄”的苏联航天发射场专家巴尔明指出:一个国家如果没有先进的航天发射场,就不可能发展航天!而航天发射场是导弹航天器研制过程中最为重要的环节之一,是进行各种导弹、火箭、卫星、飞船等发射试验的基础设施。几十年来,从中国第一颗国产导弹的升空,到成功实现“两弹结合”试验;从第一颗“东方红”卫星发射,到第一艘“神舟”飞船问鼎苍穹,中国航天写下了中华民族振兴史上最辉煌的篇章,奠定了共和国20世纪举足轻重的国际地位,也使得中国在世界高科技领域占有了一席之地!

轰轰烈烈的中国航天,向世人展示了“科技强国”的辉煌之路,也让中华民族从此挺直了腰杆,骄傲地屹立于世界民族之林!让所有中国人都知道了中华民族手中已经掌握了导弹、火箭、卫星和飞船,为人类贡献出了一大批功勋卓著的航天产品设计专家、航天产品应用专家。然而,在这个位于高科技前沿的航天专家队伍里面,有一个至关重要的分队---导弹航天发射试验技术专家,却鲜为人知! 今天,我们共同走近一位享誉“箭”无虚发的徐克俊将军和他担任总指挥的“三垂一远”发射系统

时间回到2004年3月底,2003年度国家科学技术奖励大会在北京隆重召开。《中国科技奖励》杂志采访报道组与所有获奖代表和工作人员一起入住北京友谊宾馆住会采访获奖科学家,解放军总装备部的“中国载人航天工程”获得当年科技进步特等奖,王永志等25位科技工作者代表载人航工程全体人员参加了颁奖大会,报道组采访了载人航天工程首任总设计师王永志院士、飞船总设计师戚发轫院士等大部分获奖人员,其中就有中国载人航天发射场总指挥徐克俊将军。

(2004年3月,在北京友谊宾馆采访拍摄徐克俊将军)

“航天是高科技的皇冠,载人航天就是这皇冠上的明珠。”负责 “神舟五号”飞船发射的徐克俊将军对中国发展载人航天的意义有着自己独到的见解,认为载人航天“现代科学技术水平的最高标志之一”。他介绍,我国的载人航天起步于上个世纪的九十年代初,当时国家的经济实力远非现在可比。在科研资金严重短缺的情况下,广大科研人员发扬“两弹一星精神”,走自己的路,艰苦奋斗,团结拼搏,用一元人民币办出航天大国用一美元办的事。

徐将军无比自豪地告诉我们:“我们没有沿用美国的模式搞登月、航天飞机,也不能像苏联那样搞大的空间站,因为技术、资金都不允许。”美国搞航天飞机本来是为了经济实惠,可实际上它往返一次到再升空所付出的代价10倍于发射一次飞船,且危险系数大。我国立足国情决定研发宇宙飞船,先解决好天地往返问题,为进一步建空间站和深空探测打下牢固的基础。然而,要完成载人航天,具体到发射场系统同样面临有效利用有限的资金和资源等诸多问题。飞船从哪个发射场发射?要不要新建发射场区?是采用传统的上架模式,还是采用自主创新的 “三垂”模式?徐将军讲起关于发射场选址、发射方式选定等无数难忘的一幕幕,如数家珍、引人入胜。

载人航天发射场的场址选择,要考虑地理位置、地形地貌、气象条件、火箭航区测量、安全救生、火箭助推器及一级落点以及交通运输、通讯保障、社会依托等因素,同时还要考虑经济性(如移民征地)、环境保护、后续任务发展等,这个问题在概念论证阶段已做了大量工作,取得了共识。可行性论证中再次进行了论证比较,结论仍认为选择酒泉发射场作为载人航天发射场是适宜的。

到底建一个什么样的发射场,成了发射场系统论证和设计的焦点。作为七大系统之一的“发射场系统”---中国酒泉卫星发射中心,也迎来了极大的机遇和挑战。作为载人航天发射场总体技术方案论证的主要参与者,徐克俊和同事们早就开始了对中国载人航天发射场建设的研究。中国载人航天工程的任何一个系统设计,首先必须考虑到中国的经济基础、技术水平和基础工业状况!怎么样才能达到两者统一,既符合中国国情,又不失先进?徐克俊和同事们一起,找来许多有关航天发射场的资料,结合多年来的发射经验,看资料、画图纸,一边研究,一边琢磨。他们想,如果飞船、火箭能够在技术区就进行垂直总装、垂直测试,测试完就是发射状态,再直接把飞船、火箭组合体垂直转运到发射区,进行简单的测试就可以实施发射,快速便捷!另外,发射时实行远距离控制,就可以确保技术区人员和设备安全。

(酒泉发射场,网络图片)

但是,“三垂一远”不是随随便便就可以实现的!要进行“垂直总装、垂直测试”,必须要有足够高的垂直总装测试厂房。要实现“垂直整体转运”,必须要有足够高的厂房大门,有足够先进的垂直转运车,这些都需要很大的投资才能实现!

其实“三垂一远”并不是中国的发明,俄罗斯有“水平整体模式”:水平状态下整体总装、整体测试、整体起竖;美国有“固定模式”,也有垂直整体转运模式,但耗资巨大,技术复杂,仅一台垂直转运车就耗资2亿多美元!

徐克俊与论证小组的同志们,以及航天部门、原国防科工委总体研究设计所等单位的专家一起研究,围绕“三垂”模式,先从总装测试工位入手,解决垂直总装和垂直测试问题。美国“阿波罗”飞船发射场有四个总装测试工位,我们有两个就够。高度也不必像他们建160多米,有90多米就够用。另外,在戈壁滩上,垂直测试厂房不用搞钢结构,钢筋水泥就可以满足设计要求,而且稳定性、密封性好。其次是垂直转运车,美国用庞大的履带车,平稳,减震好,能够携带脐带塔、前置设备和沉重的地面电源。我们可以用轻型铁轨转运车,不带前置设备,不搞悬挂,不搞减震装置,电车驱动,简单实用,同样能够实现“垂直转运”。

绞尽脑汁,技术难度、经费都降下来了,解决关键技术的路径也找到了,总体技术方案和论证报告交出来,还是没有通过。不是技术不先进,而是人们担心技术进步会耗资过大。发射场论证主管部门又召开交流会,徐克俊汇报了“载人航天发射场测试发射工艺流程设计方案”的报告,飞船系统、火箭系统此时也支持发射场总体技术方案。至此,中国载人航天发射场“三垂一远”的技术方案得到了各大系统的共识。

徐克俊认为:中国是一个航天大国,在科学技术飞速发展的今天,我们应该具备世界一流的航天发射能力,应该具备世界一流的航天发射场!为此他专门撰写了一篇题为《中国未来航天发射场应该具有的两大技术进步特点》的论文,发表在《载人航天》杂志上。钱学森在关注着中国载人航天发射场的建设。对载人航天情有独钟的钱学森看过这篇论文后深有感触,亲笔给原国防科工委机关写了一封信说:“对于正在建设中的中国载人航天工程,徐克俊同志的文章就很有用……”

钱学森同志充分肯定了中国载人航天发射场总体技术方案,中国新建的载人航天发射场应该具有中国特色的技术进步。在中央的支持下,原国防科工委领导果断做出了决策。

(文昌发射场 网络图片)

“三垂一远”实现了!中国载人航天发射场步入了世界先进行列!

载人航天工程最大的特点就是高可靠性和高安全性。航天员的安全性要求是0.997,产品可靠性要求是0.97。对于高风险的航天发射来说,怎样去保证这么高的安全系数,成了逃逸救生系统的一根硬骨头。

点火是发射过程中最危险的环节,因此“待发段”应急救生难度高,技术复杂。1995年起,徐克俊牵头担负起发射场待发段应急救生系统的论证和研制。这个项目直接关系到航天员的生命安全。“待发段”应急救生最主要的就是总体技术,也就是如何识别危险、如何决策、如何进行指挥控制的依据,不同的时段需要采取不同的救生方法。因为自动测试易受干扰等缺陷,无法准确辨明故障现象,给待发段逃逸救生带来了很大的难度。徐克俊凭借自己丰富的工作经验和坚实的理论基础,最终探索出了“光学信息实时检测法”,可以在几十毫秒内准确、快速地检测火箭倾倒信息,及时传送到地面逃逸指挥控制台进行判断。

同时,他对地面的计算机智能化决策技术也进行了大量的研究和开发,能够在2秒内实时做出推理决策,对逃逸指挥控制台进行了周密的安全性、可靠性设计,满足了总体技术要求,为航天员待发段逃逸救生提供了可靠的保证。中国自主研制开发的发射场逃逸救生系统技术先进、安全可靠性高,达到了世界先进水平。

年过花甲的徐克俊老先生面对记者百感交集,“我到发射中心工作有三十多年了,人一生也干不了几件事”。他为自己能亲历共和国航天事业发展中的大事而庆幸,更为自己能够参与中国载人航天的全过程——从开始的论证、设计,直到发射而自豪:“这样的机会实在是千载难得!”

(2004年3月底在北京徐克俊将军接受《中国科技奖励》杂志采访)

如今,中国载人航天工程取得了举世瞩目的骄人成绩,从酒泉发射场的“三垂一远”到文昌发射场的“新三垂一远”,从神舟一号到神舟十三号,中国神箭一次次发射成功,我国的载人航天事业从胜利走向不断胜利!

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通常需要寻求搭载发射,而搭载发射多颗卫星的最佳工作轨道可能难以统一,

长征十一号珠海航展上的模型

卫星间的结构协调和电磁兼容也是需要解决的问题,这就制约了搭载发射的选择范围。因此,经济型小型火箭的研制需求越来越旺盛。

同时,应对突发自然灾害等应急型任务的需求也催生了快速响应航天技术的发展。应急卫星需要实现快速集成总装和快速在轨测试,从而实现快速响应发射。“长十一”的研制目的之一就是为了满足快速响应航天任务的需要,实现24小时快速发射。

中国长征系列已经成功发射几近200次,固体火箭发射还是首次。液体火箭的优势在于运载能力大,可达5吨―10吨,但是缺点在于加注时间长,从测试到发射整个流程需要20―50天。固体火箭虽然运载能力不如液体运载火箭,但是它最大的优势在于接到发射命令之后,从测试到发射能在一天内完成,

长征十一号首飞纪念封绘图

固体火箭的快速反应能力能够很好地应对突发灾害后的通讯和观察任务,便于针对性地采取措施。

长征十一号小型固体运载火箭的诞生,是小卫星蓬勃发展、快速响应航天概念的提出、固体动力技术进步共同牵引的结果。

2010年10月,中国航天科技集团公司将长十一火箭作为内部型号立项。

全国政协委员、中国航天科技集团中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹向新华社记者透露,我国火箭家族中的新一代小型运载火箭长征十一号运载火箭2015年内将首飞。长征十一号运载火箭已完成研制阶段的各项工作,进入首飞前最后准备阶段。梁小虹表示,未来该院在长征十一号运载火箭的基础上,将进一步规划发展系列化固体运载火箭,与其研制的液体运载火箭互为补充,不断完善我国航天运输体系。

中国长征系列运载火箭已经成功发射几近200次,固体火箭发射还是首次。液体火箭的优势在于运载能力大,可达5吨―10吨,但是缺点在于加注时间长,从测试到发射整个流程需要20―50天。固体火箭虽然运载能力不如液体运载火箭,但是它最大的优势在于接到发射命令之后,从测试到发射能在一天内完成,“固体火箭的快速反应能力能够很好地应对突发灾害后的通讯和观察任务,便于针对性地采取措施。”

副总设计师:王健儒,动机部分负责人。

副总设计师:管洪仁,控制部分负现人。

伺服系统主任设计师:陈安平

总体主任设计师:严宝峰

总体副主任设计师:吴强

长征十一号采用国际通用星箭接口,可满足不同任务载荷、不同轨道的多样化发射需求。 火箭系统由固体运载火箭、发射支持系统组成,一级采用中国最大规模和推力的固体火箭发动机,可牵引大型固体发动机和运载火箭固体助推器技术的发展。

火箭具有可整体贮存、操作简单、发射成本低、发射周期短的特性,它最大的优势是“快速、便捷、灵活”,可实现卫星快速组网和补网,能很好地满足自然灾害、突发事件等应急发射需求。

该系统由固体运载火箭、发射支持系统组成,一级采用中国最大规模和推力的固体火箭发动机。具有可整体贮存、操作简单、发射成本低、发射周期以小时计算,最大的优势是“快速、便捷、灵活”,可实现卫星快速组网和补网,能很好地满足自然灾害、突发事件等应急发射需求。

端羟基聚丁二烯(HTPB)复合固体推进剂

①长十一项目团队利用前两发火箭的飞行数据找设计余量,

在保证可靠性的前提下取消了一些产品,已使火箭运载能力

火箭一级发动机采用的固体发动机是目前我国推力最大的固体发动机,

其燃烧室装药量为国内固体发动机之最;采用的柔性喷管是我国目前尺寸最大的发动机喷管。面对技术难度大、研制时间紧、多项设计及工艺技术无成熟经验等困难,四院研制队伍大胆创新、攻坚克难,在2年内实现了首台全尺寸发动机地面热试,成功突破了4项重大关键技术;在3年内全面完成了方案和初样研制工作,实现了该发动机多台次地面大型联试成功。发动机性能指标全部满足总体要求,并接近国际先进水平,刷新了我国固体发动机研制史上多项纪录。

发动机研制由航天动力技术研究院(航天四院)团队承担:

四级发动机总体设计师:赵东民

设计师:张卓勋、贺向东、魏坤龙

长征十一号火箭突破了多项关键技术,运载能力和适应能力强,火箭规模和起飞推力大,测试发射快速,操作使用简便,一体化、集成化、智能化程度高,综合性能指标达到国际先进水平,可与国际主流固体运载火箭相媲美,对于完善中国航天运输系统体系,提升快速进入空间能力具有重要意义。

液体和固体火箭不同的优缺点,使它们在民用和军用市场上各有所长。

长征十一号遥一箭发射前准备

实际上,运载火箭和导弹本就是一脉同源,现代意义上最早的火箭就是德国在二战时研制的V2弹道导弹,采用液氧加酒精的液体燃料组合。后来航天工业大发展时代,民用和军用细分越来越明显,追求经济和环保的民用火箭就全面采用液体燃料;而追求反应速度和维护性的军用导弹,则采用固体燃料设计。

相对于常规运载火箭采用金属框和金属桁条结构的整流罩,由航天材料及工艺研究所研制的长征十一号火箭的整流罩采用全碳纤维增强复合材料制成。这种黑色的全新整流罩不仅刚度和强度大,重量也很轻。

最初长十一火箭的整流罩也和其它火箭的结构一样,但由于它的直径太小,金属结构不可避免地会产生变形,装配时,千斤顶都无法修正。后来全碳纤维增强复合材料整流罩技术的突破,不仅解决了装配难题,还增强了性能、提高了载荷。

长十一遥三火箭的整流罩只分成两个半罩生产,是锥柱一体的结构,能承受各种复杂外力作用的能力更强,性能更高。相比于液体火箭部段组合的方式,生产精度要比原来提高一倍。

以往液体火箭的整流罩都是在“钢筋铁骨”外面贴一层软木贴片,再在外面涂上防护漆,就足以应对飞行过程中的种种冲击。但长十一火箭的热环境更严酷,综合环境适应性要求更高,传统软木型防热材料耐烧蚀性差,不具备复杂环境使用条件,且大厚度施工周期长、效率低。

为此,长十一火箭采用兼顾热、力、介质、施工等环境适应性的防热涂层,实现了整流罩涂层的大面积变厚度连续自动化喷涂和均匀性控制,涂层减重20%,在保证热防护效能的基础上进一步降低了结构重量,使运载能力提高了20%。

除了24小时内完成发射准备外,还必须具备全天候、无依托发射的能力。所谓无依托发射,就是不需要专门的火箭发射场,不需要勤务塔、不需要脐带塔、不需要导流槽,连发射台都不需要,只要有一片平地就可以了。

为了实现这种能力,长十一采用了能够自主移动、

完成测试准备的发射平台──即机动的发射平台。可以说,整支长征十一号火箭都是在远程战略导弹的基础上开发的军民两用经济版。

长征十一号在设计上与战略导弹有几点不同,首先是对成本的控制要求更高;比如在火箭壳体结构上就比较省钱,没有采用复合材料结构,而是采用金属铸造工艺。还有就是,比如第四级的控制舱,结构是沿用原来长征系列火箭的老式设计。

另一方面,长征十一号也不完全是降级的缩水版。

军用战略导弹设计一旦定型,以后变更设计就非常难,要很多年才有一次改型的机会,而且改进幅度不一定很大。改进频率和深度的不足,使很多新技术和新设计得不到验证和实用化的机会,不利于科研能力和产品技术水平进步。

长征十一号火箭同时承担新型技术验证平台的角色,比如它的第一级火箭,是中国推力、燃烧室装药量、柔性喷管尺寸等方面最大的型号,刷新了中国固体火箭发动机研制历史的多项纪录。这方面的性能和成本,就比现役的东风-31甚至是东风-41都要高。

近年来,许多地处赤道地区的国家对发射近赤道、

低倾角卫星的需求越来越旺盛。发射这类卫星,离赤道越近,运载能力损失越小,发射成本越低。因此在靠近赤道的海上进行火箭发射,成为许多航天强国争相开发的一种发射模式。针对国际商业用户的需求,中国计划在2018年推出海上低倾角发射服务,这项发射服务对于低倾角卫星来说“将是比较划算的发射方式”。

航天科技集团一院计划用万吨级的普通货船改造成为海上发射平台,火箭则使用对发射设施依赖较少、目前技术较成熟的长征十一号固体运载火箭。

按计划,长征十一号将于2017年进行海上发射的关键技术试验,预计2018年就可以面向国际商业用户提供这种发射方式。届时,长征十一号可将500千克的卫星送到轨道倾角为0到10度,高度为500公里的轨道。

长征十一号运载火箭的发射成功,

标志着中国在固体运载火箭领域关键技术上取得重大突破,对于完善中国运载火箭型谱、提升进入空间能力,具有重要意义。

长征十一号火箭可满足不同任务载荷、不同轨道的多样化发射需求,有力地促进了中国小卫星的规模化发展与应用。

长征十一号箭突破了大型固体发动机(120号大推力固体发动机)、快速测试发射(准备到发射的时间在24小时以内)、卫星环境综合保障等关键技术,首次实现了运载火箭的全箭整体储存、星箭快速对接、环境自主保障、高效快速发射,具备全天候数小时内完成发射的能力。

作为我国长征系列火箭家族第一型固体运载火箭,也是我国新一代运载火箭中唯一一型固体型号,长十一火箭具有“快速、可靠、便捷、低廉”的优势,主要用于满足自然灾害、突发事件等应急情况下微小卫星发射需求。

此次发射任务的成功,标志着我国具备了微小卫星快速组网能力,对提升我国快速进入空间能力具有里程碑意义,有力促进了我国小卫星的规模化发展和应用。

1.“长十一”数百公斤级的近地轨道运载能力

可满足80%以上小卫星的发射需求,而且其发射小卫星可以省去搭载发射需要解决的轨道协调、结构协调、电磁兼容协调等问题。

2.“长十一”能够为小卫星提供最优化、最灵活的发射服务,使小卫星也拥有主载荷享有的优先权,获得个性化订制服务。再加上“长十一”独有的灵活选择发射地点的能力,可以把卫星送入一些受制于现有发射场的测控、落区范围而难以到达的目标轨道。“长十一”的出现可以大大拓展我国小型航天器的应用范围。

3.“长十一”使用标准的星箭接口。接口的标准化使火箭能够适应不同卫星的任务需求,减少星箭接口匹配的工作量。标准接口具有的互换性也为“长十一”在各种快速应急任务中灵活地匹配不同类型的有效载荷提供了便利。

4.“长十一”具备24小时发射准备时间和机动发射带来的快速响应能力。因此,其不仅能担负常规的小卫星发射任务,也能在自然灾害等应急条件下迅速提供航天发射支援。

5.“长十一”的发射场地简单、测发操作便捷优势,也使其能够应对复杂恶劣的条件。

三颗“上科大二号”卫星

长沙天仪“潇湘一号”卫星

浙江利骓科技“丽水一号”立方星01星

"丰台少年一号暨少年梦想一号"小卫星

(“淮安号”2U立方体微纳卫星)

天仪“潇湘新区号”微纳卫星

(长沙天仪“潇湘二号”卫星)

天仪“亦庄·全图通一号”新

体制应急救援技术试验卫星

加拿大开普勒通信公司KIPP卫星

(开普勒一号3U立方体卫星)

长征十一号商业一型将火箭一级外壳材料由钢换为碳纤维,

并将一级发动机海平面比冲由248秒提高到252秒,进一步提高了火箭性能,700公里SSO运载能力提高到500公斤。火箭可采用陆基或海基且冷热兼容的多种发射方式。

该型火箭预计将于2018年首飞。

我国第一型按成本目标设计、生产、运营的火箭。它在商业一型的基础上,将火箭一级直径拓展到2.5米,增大了一级的装药量,延长了一级的燃烧时间。

同时通过单机集成,实现箭上电器一体化。该型火箭将覆盖绝大多数低轨卫星发射需求。

火箭起飞质量115吨,整流罩有2.4/2.7/2.9米三种直径尺寸可供选择,火箭700公里SSO运载能力提高到1.5吨,火箭采用简易台架热发射的发射方式。

该型火箭预计将于2019年首飞。

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