鄭永春
2016年6月25日20時00分,我國新一代運載火箭“長征七號”在海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空,約603秒后,載荷組合體與火箭成功分離,進入近地點200千米、遠(yuǎn)地點394千米的橢圓軌道,至此,“長征七號”運載火箭首次發(fā)射圓滿成功。筆者有幸在現(xiàn)場目睹了火箭發(fā)射全過程,深感震撼與自豪。親眼看到一個六百噸重的大家伙在幾十秒內(nèi)從地上垂直起飛,瞬間地動山搖,真的感覺特別激動!
建在海邊的航天發(fā)射場
美國和歐洲的航天發(fā)射場多建于海邊。如美國肯尼迪航天中心(Kennedy Space Center,縮寫為KSC)就建在大西洋邊的卡納維拉爾角(Cape Canaveral),這里發(fā)射的火箭直接飛往大西洋上空,觀景效果很好,美國人常拖家?guī)Э谌ビ^看火箭發(fā)射。歐洲空間局的庫魯發(fā)射場(Kourou,位于南美洲北部法屬圭亞那中部)面向加勒比海,每次發(fā)射時也有很多人觀看。所以,航天發(fā)射可以跟當(dāng)?shù)芈糜螛I(yè)很好地結(jié)合起來協(xié)同發(fā)展。
中國以前的航天發(fā)射場都位于內(nèi)陸,交通不便,不具備旅游和觀光條件。隨著文昌衛(wèi)星發(fā)射中心建成,今后我們也能現(xiàn)場觀看火箭發(fā)射,建議大家有機會一定要去看看,看完發(fā)射之后再環(huán)島游,是一種很好的休閑和旅游方式。在中國原有的三個航天發(fā)射場中,酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心建于1958 年,是我國首個發(fā)射場,位于甘肅與內(nèi)蒙古交界處的戈壁灘。太原衛(wèi)星發(fā)射中心建于1967 年,位于山西省忻州市岢嵐縣的山溝里。西昌衛(wèi)星發(fā)射中心位于四川省涼山州西昌市冕寧縣的山溝里,只有文昌衛(wèi)星發(fā)射中心是我國唯一的濱海發(fā)射場。
長征七號——新一代運載火箭的主力型號
長征七號是新一代中型運載火箭,主要服務(wù)于我國載人空間站工程,用于發(fā)射貨運飛船,相當(dāng)于從地球往太空運輸?shù)慕夥排拼筘涇嚕侵髁π吞枴?/p>
我們看到,俄羅斯發(fā)射的火箭是平躺運輸?shù)模l(fā)射時再把它舉起來。因為從平躺到舉起過程中會有一些松動或意外發(fā)生,所以生產(chǎn)、測試完成后越少折騰,成功概率越高。而且,文昌衛(wèi)星發(fā)射中心只有兩個發(fā)射塔,用了一個就只剩一個了。以前火箭發(fā)射要占用發(fā)射塔的時間很長,在發(fā)射塔里進行組裝和測試,然后加注燃料后才能發(fā)射。由于發(fā)射前的準(zhǔn)備階段周期很長,發(fā)射塔的利用效率就不高。我國以往每年火箭發(fā)射的次數(shù)較少,所以占用發(fā)射塔的時間長短并非重要因素。現(xiàn)在每年發(fā)射任務(wù)達二十多次,以后發(fā)射次數(shù)還會越來越多,這樣就希望每次發(fā)射任務(wù)占用發(fā)射塔的時間越短越好。如今,長征七號已解決了這個問題。它在總裝廠房里垂直組裝和測試,組裝和測試完成后整體轉(zhuǎn)運。這既是發(fā)射場的進步也是火箭的進步,因為發(fā)射場和火箭是緊密聯(lián)系在一起的。
長征七號火箭從天津基地生產(chǎn)出來時是一段一段的,出廠后裝進專用集裝箱,坐遠(yuǎn)望21 號運輸船沿渤海、黃海、東海、南海,最后到達海南島。 卸船后在文昌衛(wèi)星發(fā)射中心的火箭總裝廠房里進行垂直組裝,測試火箭整體機電接口和各系統(tǒng)是否匹配。這里透露一個小秘密,我國火箭的海上運輸享受特殊優(yōu)待,運輸火箭的集裝箱自帶空調(diào),恒溫恒濕。垂直轉(zhuǎn)運時,發(fā)射臺重達1800 噸,火箭本體重幾十噸,總重約2000噸,運抵發(fā)射塔后很快可以加注燃料,隨時待命發(fā)射。所以,長征七號火箭發(fā)射時占用發(fā)射塔的時間只需短短幾天就夠了。
咦,發(fā)射塔怎么在冒氣兒?原來,長征七號火箭的燃料和之前的火箭不一樣。以前的長征二號、三號、四號火箭采用四氧化二氮作為氧化劑,偏二甲肼作為還原劑,進行劇烈的氧化還原反應(yīng),這些燃料可以在常溫下儲存。而長征七號采用液態(tài)氧氣和航空煤油作為燃料,為什么采用煤油這么普通的燃料呢?。其實這也不奇怪,因為火箭每次發(fā)射需要消耗非常多的燃料。長征七號火箭的起飛重量達597噸,其中90%是燃料,所以采用廉價燃料在發(fā)射時才有價格競爭力。而氧氣在零下183 攝氏度才能成為液態(tài),要保持液態(tài)氧氣加滿狀態(tài),一方面要減少揮發(fā),及時補加,另一方面要進行隔熱保溫。下圖中冒出的白煙實際上是水蒸氣,到臨發(fā)射前才把加注燃料的管子拔掉。
大家知道,火箭是航天事業(yè)發(fā)展的基礎(chǔ)。沒有火箭,飛行器哪里都去不了,只能是空談!發(fā)動機是火箭的心臟。沒有好的發(fā)動機,火箭也發(fā)揮不了作用。我覺得,運載能力一直是航天發(fā)展的瓶頸,如果運載能力不夠想載人登月也好,載人去火星也好,都不可能實現(xiàn)。載人登陸火星往返需500天,需消耗大量的水、食物、氧氣等,以及大量科學(xué)探索、生命保障和生活居住設(shè)施,需要非常龐大的運載能力。
發(fā)動機一直是我國火箭研制的短板。長征七號裝配的這款YF-100發(fā)動機歷時近八年時間研制。為什么叫YF-100?YF是液體燃料發(fā)動機的拼音縮寫,100說明火箭的地面推力為100噸(后來根據(jù)任務(wù)需要進行改進,把地面推力提高到了120 噸)。
長征七號首次采用三維數(shù)據(jù)管理流程研制,包括:三維協(xié)同設(shè)計、三維設(shè)計數(shù)據(jù)管理和三維流程仿真?;鸺且粋€十分復(fù)雜的動力系統(tǒng),包括很多液體管道、電子元器件、電源線路、計算機、芯片等,這些設(shè)備都需要精確測量和控制。首先,需要精確測量火箭自參數(shù)和環(huán)境特征,了解各系統(tǒng)的工作狀態(tài),根據(jù)這些參數(shù)和狀態(tài)指導(dǎo)下一步工作。如發(fā)動機燃料的精確控制,箭體自身姿態(tài)的精確測量等等,相當(dāng)于讓大力士做繡花活,這個精確控制的過程難度不小。
長征七號研制過程中不用一張紙質(zhì)設(shè)計圖,是首款全數(shù)字化研制的火箭。紙質(zhì)設(shè)計圖制作和審查流程繁復(fù),似乎很可靠,但它容易出現(xiàn)一個問題,如兩處設(shè)計的數(shù)字差一點,明明錯誤一直存在,卻總是查不出來。而采用數(shù)字化設(shè)計后,大大減少了此類系統(tǒng)之間設(shè)計不匹配的故障概率。
火箭發(fā)射不是放“太空煙花”,而是要搭載“乘客”的?;鸺l(fā)射是航天任務(wù)的第一步,把“乘客”從地面送入太空,火箭的任務(wù)才算完成了。
那么,這次長征七號火箭發(fā)射,都有哪些“乘客”呢?第一個“乘客”是太空擺渡車。長征七號一共搭載了六個乘客,他們分別要去不同的位置。有的要去高一點的軌道,有的要去低一點,有的要往左,有的要往右。這樣就需要一個擺渡車,把乘客擺渡到不同位置。這輛擺渡車相當(dāng)于一輛客運大巴車?;鸺沿浳锼腿胩蘸?,再由大巴車把“乘客”送到不同的位置。太空擺渡車可以多次到站卸“客”或變軌,是先后可以幾十次點火的重要載荷。
第二個“乘客”是多用途飛船縮比返回艙,重2.6噸,可載人也可載貨。所謂返回艙,就是發(fā)射進入太空,完成使命后將再進入大氣層返回地面的設(shè)備。所謂縮比就是按照比例縮小,1:0.6等比例縮小。等比例縮小的目的一方面是由于1:1返回艙的研制費用高,能省一點是一點。另一方面,縮比返回艙對驗證飛船氣動外形,獲取大氣再入的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)已經(jīng)滿足要求了。第二天下午三點,縮比返回艙在內(nèi)蒙古巴丹吉林沙漠的東風(fēng)著陸場成功著陸。
長征二號、三號、四號是上一代火箭,均采用偏二甲肼和四氧化二氮的有毒燃料。而長征五號、六號、七號屬于新一代運載火箭,均采用液氧和煤油作為燃料,綠色環(huán)保。這幾款火箭的用途各有不同,新一代火箭中運載能力最小的是長征六號,近地軌道運載能力為1 噸;長征七號是一款中型火箭,近地軌道運載能力為13.5 噸;長征五號是一款大火箭,近地軌道運載能力可達25 噸。
有了長征七號這柄利劍,中國要在2020年建成空間站的目標(biāo)就有了堅實的基礎(chǔ)。讓我們期待今年下半年神舟十一號飛船和天宮二號的發(fā)射、長征五號首飛,以及明年初的天舟一號貨運飛船發(fā)射、嫦娥五號月球樣品返回。太空探索的征程永無止境。
文昌衛(wèi)星發(fā)射中心的三大優(yōu)勢
1.節(jié)省燃料
大多數(shù)通信衛(wèi)星發(fā)射時都要飛往赤道上空,所以緯度越高的發(fā)射場,消除軌道傾角耗費的機動燃料越多。文昌發(fā)射場的地理位置為北緯19度37分、東經(jīng)110度57分,從緯度上講其執(zhí)行同樣的發(fā)射任務(wù)比其他三個發(fā)射場要節(jié)省不少燃料。
2.安全
火箭發(fā)射后有助推器、第一級火箭、整流罩先后脫落,其他三個發(fā)射場發(fā)射時殘骸會落到內(nèi)陸人煙密集區(qū),造成一定的安全隱患。曾有新聞?wù)f火箭殘骸砸到建筑物,當(dāng)?shù)乩习傩者€以為撿到寶了,其實這些殘骸并沒有什么價值。文昌發(fā)射場位于海南島最東面,發(fā)射后火箭會直接飛往南海上空,殘骸落在海上要安全得多,不會傷到人。
3.方便設(shè)計和運輸
我國火箭的生產(chǎn)運輸基地在天津。天津生產(chǎn)的火箭,以前若要運往太原、酒泉或西昌發(fā)射,就要鉆山洞、過隧道。由于隧道和山洞的直徑有限,所以火箭的直徑不能太大。今后在海南發(fā)射的火箭就沒有這一限制。我去看過阿波羅登月的土星5號火箭(Saturn V),長達110米,尾部直徑達18米,實在是太大了。這個火箭現(xiàn)在還在,為了保管它專門建了個大廠房。中國以后也會生產(chǎn)這種大型火箭,屆時就可以從天津坐船運到海南。因為走海路,所以運輸非常方便,也更加平穩(wěn)。
此外,海南島的自然風(fēng)景很漂亮,今后還可以建立一個航天主題樂園和科技文化館。包括消費、娛樂、影視、科幻等航天周邊產(chǎn)品和服務(wù),甚至可以做成迪士尼和環(huán)球影城那樣。