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“神舟”号载人飞船的胜利飞天,让“神舟”所有的直系“亲属”都沾了光,成了人们关注的焦点和茶余饭后的时尚话题。在众多的话题中,除了“神舟”号飞船本身外,托举“神舟”号飞船飞天的“神箭”也是主角。
托举“神舟”号飞船胜利飞天的运载火箭是号称“中华神箭”的“长征”-2号F型运载火箭,其简写形式为“长征”-2F(CZ-2F)运载火箭。它由中国航天科技集团公司所属的中国运载火箭技术研究院研制。是我国第一种为载人航天研制的高可靠性安全性运载火箭,是载人航天工程的重要组成部分和需要突破的三大技术难题之一,CZ-2F火箭继承了CZ-2E火箭的主要构型,即芯级捆绑4个助推器。由芯级、二级和4个助推器、整流罩、逃逸塔等组成的火箭全长58.34m,起飞质量479.8吨,芯级直径3.35m,助推器直径2.25m,整流罩最大直径3.8m,火箭的芯级和助推器发动机均使用四氧化二氮和偏二甲肼作为推进剂,它可把8t重的有效载荷送入近地点高度200km,远地点高度350km的轨道。它由箭体结构系统、动力装置系统、控制系统、推进剂利用系统、故障检测系统、逃逸系统、遥测系统、外测安全系统、附加系统、地面设备系统共十个大小系统组成。
CZ-2F火箭从1992年开始研制,1999年11月首飞成功。在历时七年的研制过程中始终将可靠性、安全性放在首位。火箭上广泛采用了冗余设计,提高了元器件等级和筛选标准,结构设计提高了剩余强度系数,发动机也进行了旨在提高可靠性的设计。火箭的可靠性指标从CZ-2E的0.91提高到0.97,使它成为目前国内可靠性指标最高的运载火箭。从数字上看,仅仅是0.06的差别,但它是载人火箭与非载人运载火箭的分水岭,是设计人员设计理念的一次转变与飞跃,同时,它也给设计和试验人员带来了很大的设计和试验工作量。
为了达到载人飞行的高可靠要求,设计人员把可靠性作为产品设计的重点,对影响运载火箭成败的关键项目和环节,如控制系统的惯性测量装置、箭机、伺服机构、综合放大器、推进剂利用系统的控制机、遥测系统的一类参数测量装置、发射机,故障检测处理系统的逃逸程序控制器、外安系统的单脉冲应答机等均进行了冗余设计,大幅度提高了系统的可靠性。对无法采取冗余措施的系统,如液体火箭发动机进行了以提高可靠性为目的的改进设计,箭体结构提高了剩余强度系数,特别是针对历史上火箭飞行试验中出现的问题和薄弱环节,重点解决了防多余物、防虚焊、防断压线、防松动、防漏电、防电磁干扰、防过负荷、防不相容、防漏液漏气、防局部环境放大、防装配应力、防应力集中等问题。
在可靠性试验方面,重点进行了电子产品的环境应力筛选、可靠性增长试验、环境安全余量试验和电磁兼容试验。全箭的控制、推进剂利用、故障检测处理、遥测和外安五大电子电气系统,共有近360种不同种类的电子产品,五百多台(件)配套产品,这些产品的可靠与否,直接关系到火箭飞行的成败。
CZ-2F火箭的安全性指标是0.997,这是我国运载火箭史上首次对火箭提出安全性指标。作为载人运载火箭,航天员的安全始终要放在一切工作的首位。
在运载火箭的设计中,增加了故障检测处理系统和逃逸系统,在待发段和上升段飞行中一旦火箭出现故障,能确保逃逸以保障航天员的安全。由于这两个系统的设置,需要研究一系列新技术,如无塔逃逸飞行器气动特性、船箭动力学耦合分析、故障模式分析、实时诊断技术、逃逸飞行器结构设计及特殊要求的逃逸固体发动机等。经过努力,这些项目都得到了很好的解决,为确保航天员安全奠定了坚实的基础。
“长征”运载火箭是中国航天的中流砥柱。到1999年底,中国运载火箭技术研究院已研制成功了“长征”系列的十三种运载火箭,形成了四个系列,即“长征”-1号系列、“长征”-2号系列、“长征”-3号系列和“长征”-4号系列,它们能够发射近地轨道、太阳同步轨道和地球同步转移轨道的各种应用卫星或其他航天器,当然也包括了“神舟”号载人飞船。下页图为正在服役的“长征”系列运载火箭示意图。
发射“神舟”号载人飞船的属“长征”家族中的2号系列运载火箭。这一系列的运载火箭主要用于发射近地轨道且质量较大的有效载荷。按照先后投入使用的次序,“长征”-2号系列运载火箭有“长征”-2号、“长征”-2号C、“长征”-2号E、“长征”-2号D、“长征”-2号C/SD和“长征”-2号F等六种火箭。
“长征”运载火箭的首次发射任务是1970年4月24日的我国“东方红”一号卫星发射,截止到2000年6月,中国的“长征”系列运载火箭已发射61次,成功55次,成功率为90%以上。从1996年10月至今,“长征”系列火箭发射成功率为百分之百。
有关资料表明,美国的“德尔它”运载火箭发射成功率约为百分之九十四,欧空局的“阿里安”火箭发射成功率为百分之九十三左右,俄罗斯的“质子”号火箭发射成功率约为90%。中国运载火箭技术研究院的专家介绍说,运载火箭发射次数越多,就越能优化火箭发射的技术状态,提高发射的稳定性。“长征”运载火箭随着发射次数的增加和技术性能的不断提高,发射成功率已越来越高,说明“长征”运载火箭的安全性和可靠性已经达到了世界先进水平。
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