“長征七號”遙一火箭組件正在吊裝
5月8日，在天津大火箭基地的裝配廠房內(nèi)，“長征七號”遙一火箭被緩緩放入特制的海運(yùn)集裝箱里，它將搭乘“遠(yuǎn)望21”航天運(yùn)輸船，經(jīng)過1800海里，抵達(dá)海南文昌航天發(fā)射中心，并于6月下旬首飛，完成我國載人航天工程空間實驗室階段 4 次飛行任務(wù)的開局之戰(zhàn)。
這段看似普通的歷程，承載著中國航天很多的第一次：這枚“長征七號”火箭是天津大運(yùn)載火箭基地總裝并送出的第一枚火箭，這是長征系列火箭第一次由海路整體運(yùn)往發(fā)射場，這也是海南文昌航天發(fā)射中心即將發(fā)射的第一枚運(yùn)載火箭，將翻開中國航天低緯發(fā)射的新篇章。
這么多的第一次是怎么完成的？“長征七號”有哪些新特點(diǎn)？中國首座海上航天城——文昌現(xiàn)在又準(zhǔn)備得如何？
新火箭“三板斧”
“長征七號”是我國載人航天工程為發(fā)射貨運(yùn)飛船而全新研制的運(yùn)載火箭，和正在測試的“長征五號”火箭一樣，是我國新一代運(yùn)載火箭中的大個子(總長達(dá)53.1米)，而且本事大。
“長征七號”的本事首先就體現(xiàn)在運(yùn)載能力上。“長征七號”采用液氧煤油發(fā)動機(jī)等新技術(shù)，近地軌道運(yùn)載能力由9噸提高到13.5噸，雖然比“長征五號”25噸的運(yùn)載能力少了近一半，但術(shù)業(yè)有專攻，“長征五號”主要用于運(yùn)載重型空間站和載人航天任務(wù)，“長征七號”則用于發(fā)射人造衛(wèi)星、拉貨或者載人。
中國航天科技集團(tuán)公司第一研究院負(fù)責(zé)人打了個形象的比方，原有的火箭運(yùn)載能力相當(dāng)于“一居室”，伴隨空間站、深空探測、更大規(guī)模衛(wèi)星平臺的需求提出，需要更大的“三居室”，甚至“小別墅”。“長征五號”“長征七號”等新型火箭將基本覆蓋我國在所有軌道的應(yīng)用，其中，“長征七號”未來將承擔(dān)我國航天80%的發(fā)射任務(wù)。
其次，“長征七號”是一枚采用環(huán)保無毒的液氧煤油發(fā)動機(jī)的大型液體運(yùn)載火箭。以前，火箭使用的發(fā)動機(jī)單臺推力70噸左右，火箭運(yùn)載能力僅有9噸，而且用的推進(jìn)劑還有毒。“長征七號”使用新型120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)，推力提高了六成，火箭運(yùn)載能力最大能提高3倍。此外，發(fā)動機(jī)使用的是液氧和煤油，都是無污染的環(huán)保燃料，不僅比常規(guī)推進(jìn)劑便宜六成，且易于存貯和運(yùn)輸，發(fā)動機(jī)還能重復(fù)使用。
正因為這些優(yōu)勢，液氧煤油發(fā)動機(jī)被譽(yù)為世界航天動力領(lǐng)域的“珠穆朗瑪峰”。為了研制它，從2000年正式立項，到2012年120噸級發(fā)動機(jī)研制成功，再到正在研制的500噸級大推力液氧煤油發(fā)動機(jī)取得突破性進(jìn)展，中國航天科技集團(tuán)公司六院的科學(xué)家先后經(jīng)歷過整機(jī)試車4次失敗的打擊，突破了高壓補(bǔ)燃關(guān)鍵技術(shù)80余項，使我國成為世界上繼蘇聯(lián)之后，第二個掌握高壓補(bǔ)燃技術(shù)的國家。
再次，“長征七號”是我國首枚全生命周期的數(shù)字火箭。按照中國航天科技集團(tuán)中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院原黨委書記梁小虹的說法，“長征七號”采用三維協(xié)同、設(shè)計、試驗和制造，火箭全研制流程沒有一張紙質(zhì)圖紙，代表了國內(nèi)運(yùn)載火箭最高研制水平。
例如，在研制階段，中國航天科技集團(tuán)公司一院實現(xiàn)了三維設(shè)計數(shù)據(jù)審簽、發(fā)放和更改技術(shù)狀態(tài)管理，全箭模型數(shù)據(jù)規(guī)模超過20GB。
生產(chǎn)加工階段更是神奇實現(xiàn)了“一鍵式”加工。據(jù)梁小虹介紹，以前加工某零部件，首先要根據(jù)二維圖紙畫出工序草圖、手工編制工藝規(guī)程，然后進(jìn)行車、銑、鏜等系列工序。現(xiàn)在，只需按動數(shù)控機(jī)床按鈕，成品即刻完成，且合格率達(dá)100%。在航天703所的生產(chǎn)車間，呈現(xiàn)仿真視頻和三維工藝流程的終端大屏幕顯示器如今成了標(biāo)配，讓火箭生產(chǎn)越來越高大上。
在試驗、裝配階段，“長征七號”還應(yīng)用了時髦的虛擬現(xiàn)實技術(shù)，對火箭進(jìn)行虛擬裝配、虛擬試驗，真實模擬火箭實際裝配和試驗環(huán)境，提前預(yù)見可能發(fā)生的問題，確保了火箭試驗、裝配一次成功。
能耐如何煉成？
“長征七號”的本領(lǐng)不是天生就有的，而是經(jīng)歷了千錘百煉的試驗。據(jù)統(tǒng)計，從2010年正式立項，5年的初樣研制中，研制隊伍完成了32 項關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，完成了289項初樣大型地面試驗。
例如，“長征七號”的助推氧化劑箱的直徑達(dá)到2.25米，整箱長度由此前的4.5米增加到13米，薄區(qū)厚度僅1.7毫米，和雞蛋殼差不多厚，是火箭研制生產(chǎn)中難度最大的部分之一。為此，科學(xué)家們不僅要研發(fā)各種成形、焊接的新技術(shù)，還要對其進(jìn)行動力系統(tǒng)試車、常溫靜力試驗、爆破試驗等危險測試。
例如，去年底進(jìn)行的全箭模態(tài)試驗，需要把50多米高、近600噸重的“長征七號”綁在全箭振動塔上“蕩秋千”，以模擬火箭從起飛到助推器分離前100多秒的真實飛行狀態(tài)。
要做到這一點(diǎn)，首先需要建造足夠高的廠房。而在2008年，中國航天人進(jìn)駐天津大運(yùn)載火箭基地時，這里只有幾個工棚。如今，這個全箭振動塔建筑面積達(dá)10230平方米，高93米，相當(dāng)于30多層樓房的高度，最大承載力為1500噸。科學(xué)家們將“長征七號”用16根垂下來的粗鋼絲繩和底部的工裝托住，整個實驗過程就如同坐在“秋千”上，當(dāng)然，這種振幅遠(yuǎn)不如蕩秋千那么大，甚至用肉眼都不易覺察。
再比如噴水實驗。一般來說，火箭點(diǎn)火起飛時，箭體尾部噴出的火焰幾乎“直擊”發(fā)射平臺，使發(fā)射平臺瞬間接近3000攝氏度。這一溫度足以熔化絕大多數(shù)金屬和非金屬材料。火箭外殼、火箭發(fā)射平臺雖然由特殊材料制成，但高溫也很可能會對其內(nèi)部的儀器造成影響。
經(jīng)過多次實驗，科學(xué)家們終于尋找到最為合適的噴水點(diǎn)。據(jù)中國航天科技集團(tuán)公司一院15所大流量噴水降溫降噪系統(tǒng)技術(shù)負(fù)責(zé)人陳勁松介紹：“噴水系統(tǒng)分兩級。一級位于發(fā)射平臺上，在火箭發(fā)動機(jī)點(diǎn)火前向發(fā)射平臺噴灑一層5厘米厚的水層；二級位于發(fā)射平臺兩旁5米高的空中，當(dāng)火箭飛達(dá)5米高以后向箭體尾部火焰中心噴水。兩級噴水設(shè)施將各噴20余秒，完成400噸的噴水量。”
出海坐“沙發(fā)”
“長征七號”如今正在前往海南文昌航天發(fā)射中心的路上。其大致運(yùn)輸線路是這樣的：火箭裝載進(jìn)運(yùn)輸船后，船從天津港出發(fā)，經(jīng)渤海、黃海、東海、臺灣海峽、南海、瓊州海峽等海域，經(jīng)過5至7天時間、航行約1800海里，到達(dá)海南省清瀾港西碼頭，再通過公路運(yùn)往火箭水平轉(zhuǎn)載準(zhǔn)備廠房。
可以發(fā)現(xiàn)，和以往坐火車不同，“長征七號”這次走的是海路。為什么要海運(yùn)？在“長征七號”火箭總體設(shè)計人員王旭看來，公路運(yùn)輸距離過長且顛簸；鐵路運(yùn)輸則由于受中國鐵路隧道直徑的限制，超過3.5米直徑的火箭就不能通過；海運(yùn)則顯得更為平穩(wěn)、舒適。他比喻說：“火箭從公路、鐵路運(yùn)輸，就像坐‘硬板床’；乘船從海上運(yùn)輸，就好似坐‘沙發(fā)’。”
具體來說，火箭運(yùn)輸是否平穩(wěn)，有一個重要的考量項目——過載環(huán)境。王旭表示，“過載環(huán)境就像開車時加速行駛或緊急剎車，過載環(huán)境差就會危害火箭的結(jié)構(gòu)。”科學(xué)家們在首次海運(yùn)過程中詳細(xì)記錄了起錨、起航、拋錨、靠港以及多種海況下的過載環(huán)境數(shù)據(jù)和振動環(huán)境數(shù)據(jù)，結(jié)果表明，海運(yùn)的過載環(huán)境數(shù)據(jù)不僅優(yōu)于設(shè)計值，而且僅為鐵路運(yùn)輸過載環(huán)境數(shù)據(jù)的1/3、公路運(yùn)輸?shù)?/2。
火箭運(yùn)輸是否舒適也有一個考量——振動環(huán)境。測試數(shù)據(jù)表明，在海運(yùn)過程中，低于3級海況時，“長征七號”火箭表現(xiàn)得較為平穩(wěn)；出現(xiàn)4級至5級海況時，箭體振動環(huán)境相對惡劣。專家表示，即使這樣，這方面的數(shù)據(jù)也優(yōu)于公路、鐵路運(yùn)輸?shù)膶崪y數(shù)據(jù)。
值得一提的是，為了讓“長征七號”出海坐得舒服，我國還專門研制了第一艘載運(yùn)火箭的專用船——“遠(yuǎn)望21”。它創(chuàng)新設(shè)計出一整套運(yùn)載火箭海上環(huán)境保障措施和火箭集裝箱減搖減振手段，成功地使火箭貨艙內(nèi)始終維持適宜的溫、濕度及鹽霧度。(本報記者 彭訓(xùn)文)