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闯难关:重型火箭发射前准备可不少

字号+作者:常飞 来源:中国航天报 2022-08-23 08:36 评论(创建话题) 收藏成功收藏本文

8月10日,美国联邦通信委员会批准了“星舰”重型火箭项目的无线电频谱测试半年许可证,但其他方面的评估仍有很多,导致“星舰”不可能按原计划于8月进行首次'...

8月10日,美国联邦通信委员会批准了“星舰”重型火箭项目的无线电频谱测试半年许可证,但其他方面的评估仍有很多,导致“星舰”不可能按原计划于8月进行首次入轨级发射,而美国太空发射系统(SLS)重型火箭基本准备就绪,有望于8月29日首飞。tpt品论天涯网

转场中的太空发射系统(SLS)重型运载火箭tpt品论天涯网

众所周知,重型火箭执行的往往是具有战略意义的航天任务,不但结构复杂,而且价格昂贵,首飞的风险很大,因此科研团队非常谨慎。那么重型火箭在发射前需要注意哪些问题呢?有哪些难关必须闯过去?让我们一探究竟。tpt品论天涯网

“关口”很多要小心tpt品论天涯网

重型火箭发射前,必须通过一系列检查测试,而很多大众心中“无关紧要的小事”往往会成为“拦路虎”。tpt品论天涯网

正所谓“打铁还需自身硬”,火箭本身合格是正常发射的前提。重型火箭和中小型火箭虽然技术原理相同,但庞然大物的电气系统要复杂得多。特别是重型火箭上有大量火工品,用来执行助推器分离、级间分离、整流罩分离之类的动作,零件是否过检,供电线路是否正常,决定了重型火箭飞行成败,当然也是测试重点。tpt品论天涯网

火工品的流体管路工作是否正常,是牵动科研人员紧张神经的关键环节。tpt品论天涯网

一般来讲,火箭的流体管路包括执行动作的液压管路以及给发动机供应燃料的燃料管路。固体火箭可能没有燃料管路,但液压管路是不可缺少的,况且现有的重型火箭方案都“主打”液体型号。tpt品论天涯网

在流体管路的检查中,重点是各种阀门、接头。采用液氢、甲烷等低温燃料的重型火箭管路检查尤其让科研人员如履薄冰,因为金属材料在低温下容易失效,进而导致火箭发射失败,类似事故已不止一次发生。tpt品论天涯网

不过,随着技术进步,已经出现了用冷推系统来取代火工品的新概念方案,未来重型火箭或许有望减轻测试工作负担,更高效更可靠地飞天。tpt品论天涯网

制导导航控制系统的测试,往往被称为电测。这涉及到方方面面,包括遥测遥控系统的对地通信、陀螺仪是否工作正常,从控制系统到执行机构的链路是否响应及时等。万幸的是,重型火箭在这些方面精益求精,从以往的飞行过程看,制导导航控制系统出问题的概率很小。tpt品论天涯网

重型火箭发射前通关的“最大BOSS”是谁?当然是发动机。尤其是重型火箭第一级越来越流行多发并联方案,所有发动机和涡轮泵是否正常运转,主燃烧室能否同步正常点火和喷射,直接决定了重型火箭能否离地起飞,甚至涉及到发射台和观众们是否安全。因此,重型火箭在发射前都要对第一级反复试车,对单台发动机测试之后,还要整级、整箭测试。tpt品论天涯网

重型火箭自身通过考验,发射任务就一定能成功吗?显然不是这样的。航天工程包罗万象,自然气象条件也是巨大的考验。tpt品论天涯网

无论发射场的选址如何讲究,都会遭遇不利天气,包括沙尘暴、雷电、飓风、暴雨等。就连哈萨克斯坦拜科努尔这种地处内陆、强调稳定可靠因素的发射场,仍会遇到风雪极寒天气,影响流体管路的操作。tpt品论天涯网

另外,火箭起飞后,科研人员很担心飞行路径上有高空切变风。它带来的风险不小,可不能指望重型火箭靠大质量“硬扛”。tpt品论天涯网

多招消除提心吊胆tpt品论天涯网

“土星5号”是航天史上最成功的重型火箭,科研人员只用了6年,就完成了从论证到首飞的整个流程。之后的6年里,13枚土星5号重型火箭先后发射,无一失败。考虑到20世纪60年代的技术水平,这个成绩堪称奇迹,而背后是复杂的技术措施和优秀的工程管理能力。tpt品论天涯网

土星5号重型运载火箭发射升空tpt品论天涯网

比如,科研团队从一开始就把“降低操作系统复杂程度”和“设计更好的力学系统”放到与“增加推力”同等重要的地位。美国宇航局不惜斥巨资建设了当时最先进的航天控制计算机系统,可以掌握土星5号重型火箭从起飞前检测一直到抛弃第三级的全部操作过程。tpt品论天涯网

通过测量加速度等指标,计算机迅速掌握火箭的位置和速度,及时修正可能的偏向。万一火箭出现安全事故,控制中心会及时发出指令,爆破切断燃料和氧化剂箱体并迅速释放燃料,给航天员留下逃生时间。tpt品论天涯网

相比之下,苏联N1重型火箭是个悲剧和反面教材。由于核心设计人员变动、政治干扰等原因,苏联航天部门急于求成,没有足够的时间来完善设计和发现问题。tpt品论天涯网

这款火箭每次发射失败都暴露出了不同的设计缺陷,包括控制系统逻辑不合理、涡轮泵和发动机管路防爆措施不到位、发动机推力和火箭气动外形匹配不佳等。究其原因,应该是科研团队没有进行充分的地面试验。可以说,失败的祸根在火箭发射前就已埋下。tpt品论天涯网

苏联N1重型运载火箭tpt品论天涯网

此后,苏联能源号重型火箭科研团队吸取了教训,扎扎实实地通过地面测试,成功将暴风雪号航天飞机送入预定轨道。可惜不久之后苏联解体,俄罗斯经济环境使这款重型火箭“壮志未酬”。tpt品论天涯网

有航天爱好者开玩笑说,马斯克也许是全球最心宽的航天开发者,因为在SpaceX公司的航天器开发过程中,飞船和火箭爆炸了不知多少次。其实,科研人员是在一次次爆炸中不断改进设计,使高难度技术成熟,逐步迈向成功。猎鹰9火箭第一级回收技术、“星舰”垂直起降所用的捕捉臂技术都是这样“一路炸出来”的。tpt品论天涯网

“星舰”追求全面回收,技术复杂性要远远超过继承大量成熟技术的太空发射系统重型火箭,所以SpaceX公司正在很小心地进行反复测试。tpt品论天涯网

7月12日,“星舰”第一级测试遭遇爆炸火灾,所幸受损不大。8月11日的试车中,“星舰”第一级的“猛禽”发动机持续燃烧了20秒,第二级即飞船也点燃了2台发动机,工作正常。目前,“星舰”第一级陆续对部分发动机进行轮流试车,后续参与同步试车的发动机会越来越多,但还未成功进行33台发动机全体试车,而这样的测试是必不可少的。tpt品论天涯网

“星舰”测试时发动机发生爆炸tpt品论天涯网

按照简单估算,“星舰”首飞箭成本即使达到SpaceX公司宣传的5000美元/公斤“超低价”,且发射载荷保守限制在50吨,发射费用也会达到2.5亿美元。显然,追求利润的商业航天公司无论如何也不会任凭这样一笔钱白白浪费。tpt品论天涯网

不过,“星舰”项目刚拿到无线电频谱测试半年许可证,还需对噪声、交通、动物保护、基地工作时间等进行数十项改进,其规划的“9月初首飞”能否成真仍不确定。tpt品论天涯网

本文原载于《中国航天报·飞天科普周刊》8月20日一版tpt品论天涯网

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