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长征五号研制团队:十年铸箭终成锋 助推航天强国梦

时间:2017年02月10日 信息来源:中国航天报 点击: 【字体:

中国航天科技集团公司长征五号研制团队,平均年龄不到33岁,历时十载,使中国火箭跻身世界一流。长征五号运载火箭的首飞成功,标志着我国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,是由航天大国迈向航天强国的关键一步。


2016年11月3日20时43分,我国最大推力新一代运载火箭长征五号首次发射任务取得圆满成功。长征五号运载火箭的首飞成功,标志着我国运载火箭实现升级换代,运载能力进入国际先进行列,是由航天大国迈向航天强国的关键一步。


在长征五号首飞成功的背后,是一支平均年龄只有33岁的队伍长达十年默默付出和艰辛铸箭之路。


年轻团队 突破诸多世界难题


作为具有划时代意义的一型火箭,长征五号肩负着我国探月三期、载人空间站和火星探测等国家重大科技工程发射任务,将我国进入空间的能力大幅提高2.5倍以上,是我国由航天大国向航天强国迈进的重要基石和主要标志。同时,长征五号在研制过程中面临的技术难题也是最多、最难的。


长征五号总指挥王珏、总设计师李东带着一支平均年龄不到33岁的年轻团队在多项我国运载火箭发展史上首次遇到的重大技术难题的攻关中,创造性地提出全新方案、采用新技术、全面系统综合和优化,掌握了一批具有自主知识产权的全新技术,为新一代运载火箭成功研制做出了突出贡献。


在长征五号运载火箭研制过程中,研制团队先后突破了以12项重大关键技术为代表的247项关键技术,包括长征五号运载火箭总体优化与设计技术,首次采用助推器支撑、前支点传力的总体布局优化设计技术,突破了大型低温运载火箭力热环境预示技术;首次采用5米大直径箭体结构,突破了大型低温贮箱和多集中力壳段结构设计与验证技术,突破了千吨级集中力载荷加载试验技术等;采用了三型全新的液氧煤油和氢氧发动机,其推力和比冲等性能均是我国最高水平,采用了全新的循环预冷技术,大幅提升了火箭的应急处置适应能力,突破了大型低温运载火箭POGO抑制技术;首次提出并采用了基于总线技术的系统级冗余的运载火箭控制系统技术,突破了助推器和芯级发动机联合摇摆控制技术,首次采用10Mbps+5Mbps高码率遥测数据传输与综合技术,把我国运载火箭遥测技术大幅提升到国际先进水平;采用“新三垂”测发模式,突破了2000吨级的活动发射平台配备脐带塔方案设计制造技术,大幅缩短了火箭在发射区的测试操作时间等。


研制团队在长征五号运载火箭研制过程中首次引入先进的数字化设计手段,实现了数字化模装替代实物模装,完成了型号数字化设计、数字化分析、数字化试验的三大数字化工作,大大缩短了研制周期、节约了研制经费。而且5米直径箭体结构的制造、运输和发射,也带动了天津滨海新区大型运载火箭生产制造基地、海南文昌发射场的建设,采用全新的公路-海路-公路运输方式,由两艘专用运输船将长征五号运载火箭从天津运至海南。


在长征五号火箭的研制过程中,这群年轻人先后突破并掌握了一大批具有完全自主知识产权的全新技术,推动了我国运载火箭技术的进步,实现了我国运载火箭从3.35米直径向5米直径的跨越,为我国未来大规模开发利用空间资源、以及在深空探测中发出“更强中国音”提供了坚实基础,同时长征五号运载火箭的研制也培养了一批技术人才,牵引了天津大运载火箭基地和海南文昌发射场的建设,也为后续重型运载火箭的研制打下了良好基础。


十年攻关路  中国火箭跻身世界一流


近20层楼高的长征五号,起飞推力超过1000吨,这足够让10架波音747齐飞,而25吨级的运载能力几乎可将3个天宫二号同时送入太空。长征五号是目前运载能力亚洲最大、世界一流的火箭,直径由中国现役火箭最大的3.35米扩大到空前的5米。在一系列的技术创新背后,是长征五号研制团队整整走过的10年艰辛历程。


长征五号运载火箭成为国家项目是在2006年10月,如果从前期论证和攻关算起,可追溯到30年前的国家863计划。火箭运载能力大,要靠大发动机和大结构。由长征五号项目牵引出的120吨液氧煤油发动机和50吨氢氧发动机在上世纪90年代初已开始研制。让火箭装更多推进剂,要么将火箭做长,要么做粗。考虑到细长结构不够坚固,研制团队选择了大直径。


直径扩展到5米,对于火箭研制来说,是革命性的。正如总设计师李东所说,长五从设计、仿真、制造到地面各种试验都变了。全箭采用247项核心技术,新技术比例几乎达到100%。国际上研制新型火箭,包括卫星飞船,采用新技术比例一般不超过30%,所以长五是真正的跨代产品。


“长五虽然个头大,但很智能。”研制团队的自信来自五项世界首创的控制技术:发动机联合摇摆、大型运载火箭实时卸载+主动导引+预测关机的复合控制、助推器多点支撑起飞主动抗漂移控制、大推力发动机精准关机控制和大型液体运载火箭飞行控制与燃料利用集成的数字化网络构架。 “控制系统每20毫秒计算一次,是火箭的大脑。这些技术能让长五在飞行中‘头脑清醒’,按预定路线飞行,在规定位置做规定动作,还能根据情况随机应变,闪转腾挪。”


在研制路上,一场场激烈的讨论让大家红过脸,也擦出了灵感的火花,并由此诞生出新三垂测发模式、脐带塔发射平台等方案。与现役火箭中间芯级支撑地面“拎着”4个助推不同,长五箭体采用了运载能力更强的前捆绑主传力结构,即箭体芯级悬空,靠4个助推支撑整个箭体,像芭蕾舞踮脚的舞姿。


据长征五号总设计师李东介绍,以往长征火箭使用的零部件最多几万个,而长五达到了十几万个。设计量是以往火箭的3.5倍以上。为了应对新挑战,研制团队采用全数字化三维设计方法,细到每一个螺钉大小和位置都能一目了然。


艰难起步 艰苦攻关 队伍在历练中走向成熟


2008年,与长征五号研制并行推进的天津大火箭基地在一片盐碱滩涂上开工。长征五号总指挥王珏回忆道:“当时我们往1700亩地上的水泡子里填土,建厂房。冬天没暖气,我们又搭起帐篷、蒙古包取暖,大家穿着羽绒服调试设备。”


长征五号使用了一整套全新制造设备。2009年底,天津基地成功焊接第一个球形底,2010年打造第一个工艺短箱,2011年底交付第一个试验产品……图纸上的线条从厂房的一侧进入,从另一侧输出变为实物,组成长五的各种“器官”。


在大家的印象里,进入2009年后,大量试验逐步开展起来,整个研制队伍也进入了挫折最多的阶段,仿佛在海上遭遇暴风雨。这年3月,长五火箭转入初样阶段。


使用零下252.5度的低温推进剂让长五在性能上获得大幅提升,但难度也成正比例地提升。2012年6月的一天,5米直径贮箱低温静力试验正在北京进行,当载荷达到93%设计工况时,箱体突现出现裂痕。如果处在实际飞行中,这将导致箱体结构失稳,后果严重。


要推倒重来。听了这个消息,一些队员流下了眼泪,还有的喝起了闷酒。“在设计时,大家一克一克地减重,又考虑结构要牢固,做出来不容易,所以这次失败的打击很大。”谈起这段经历,王珏记忆犹新,“21米长的贮箱,壁厚不到3毫米,就像放大版的可乐易拉罐,一毫米的误差就会让传力方式发生变化。”


接下来的3年,团队从头开始,重新设计研制芯级的贮箱。长五因低温特点得名“冰箭”,但彼时则显得有些“高冷”。


“绑得牢、站得稳、点得着、分得开是对助推器的要求。”长五助推主任设计师李泯江介绍,“类似高铁车头的斜头锥设计,让气动性更好,也更美观。”


“这是目前中国最大的助推器,20多米长,一共需要5万多个标准件,而头锥是现役火箭里最复杂的结构件之一,研制历时六七年。做静力试验时,好多单位因为试验规模过大而拒绝接单。”谈起技术,长五助推模块总装工艺师张游打开了话匣,然而去年5月结婚的他,至今还没兑现跟妻子度蜜月的诺言。


2005年,已经历过9次成功试车的50吨氢氧发动机在点火后,突然出现燃烧不稳定现象,燃烧室壁板鼓出一个大包。发动机突然“脉象紊乱”,令人惊叹又匪夷所思。经过反复研究“会诊”,燃烧室耦合振动问题被锁定。两年后,团队终于通过加挡板,分区燃烧,错开了频率,解决了问题。


“一开始没有考虑到耦合振动,因为国外有个经典报告,说氢氧发动机不采取防止燃烧不稳定的措施也无影响,就像想不感冒,不用非要提前吃感冒药预防。”长五副总设计师王维彬1986年参加工作,曾参与我国第二型氢氧发动机的研制,“经过反思,大家吸取了教训,没有放之四海而皆准的理论,一定要亲自实践。”


全新氢氧发动机推力近9倍于现役氢氧发动机,研制节奏很难一把就摸准。2013年,发动机临近验收,试车现场,发动机突然“掉链子”,最后直接燃烧了起来,在场的研制人员惊呆了。王维彬说:“这相当于上了十几年学,参加高考,第一门就考砸了。这是最惨的一次。”


120吨液氧煤油发动机在西安同步推进。发动机曾连续4次试车失败,爆炸把团队的士气炸飞了。但没多久,他们咬咬牙,憋着劲儿继续点火试车,向前走。“这个发动机一度不被看好,我们从零开始,一直在摸索它的‘脾气’。”长五副总师陈建华1991年研究生一毕业就到当时的067基地研制这款发动机。


2001年,没有任何相关经验的研制人员雕花般加工出第一台发动机。一路走来,到2013年,研制队伍尝尽了数次归零的苦涩。当年6月,长五助推双机并联,成功进行了当时亚洲最大吨位的动力系统试车。2015年、2016年,长六、长七两型火箭分别用首飞展示了液氧煤油发动机的优异性能。


王珏说:“弯路不会白走,这会使大家对问题的认识更加透彻,让队伍走向成熟,所以不断暴露问题的过程,也是获得提升的过程。”


攻坚克难 长征五号研制实现新跨越


2013年6月,长五火箭转入试样阶段。在研制路上不停拐弯的团队感到路况越来越好,加速的机会来了。


助推分离设计方案在两年内不断优化,在天津做了3次试验,十分顺利。控制系统开展半实物仿真,通过加载重量模拟火箭飞行实时工况,开展“冷试车”,技术愈发稳定。测量和软件系统有条不紊地验证超低温测量、高码率和时序时间链方法等新技术。


长五副总设计师王晓玲说:“火箭软件规模越来越大。长征三号甲系列有几十个,长征二号F有100多个,长七有200多个,到长五就有300多个了,软件代码达到了430多万行。”


2015年,喜讯传来:结构研制团队改进了锻环、板材、设计的具体细节,结构问题解决了,大直径结构件工艺和原材料控制也都上了新台阶,一扫3年前静力试验失败的阴霾。


同年8月的一天,国务院副总理马凯到集团公司亲眼见证了长五动力系统的惊艳表现,整个队伍士气也因此大振。


在10米长的助推氧箱加工中,团队使用了搅拌摩擦焊工艺方法。这也是中国运载火箭首次通过自研设备在大型舱段上使用搅拌摩擦焊工艺,被称为得意之作。


长五助推总体结构负责人吴小军说:“由于助推受力方式变了,仅调研连接芯级和助推的承力接头就花掉团队一年多的时间,而加工接头部件直接提升了团队的机加能力,被称为一‘宝’。”


“长五的研制使一些技术得以升级换代。此外,我们还把长征火箭历史上存在的一些薄弱环节重新梳理,替换了有缺点的材料,原来手动的基本都换成自动化,加入大量数字化设计手段。”李东说,“这些改进都已经在长六、长七上应用过,可靠性有一定的保障。”


坚强意志 过硬技术 战胜意外挑战 书写航天奇迹


历经十年艰苦研制,在长征五号首飞当晚,研制团队面临一系列意外挑战凭借过硬技术和完善的预案,在临射前的163分钟里,以坚强意志次克服一系列困难,取得了长征五号首飞的圆满成功。


当晚发射准备中,长征五号遇到的第一个棘手问题来自火箭助推器氧排气管道。长征五号4个助推器安装了8台120吨级液氧煤油发动机,液氧的沸点为-183摄氏度,安全加注、稳定燃烧等技术难度极大。在场专家立刻展开研究,结果认定,助推器氧排气管道问题并不影响发射。然而问题的排查耽误了一些时间,发射被推迟到19点01分。


第二个问题又接踵而至:芯一级氢氧发动机在预冷过程中出现非正常现象。


“(芯级里)液氢容积非常大,要保证发动机的一些部件能冷却到足够温度,这样在启动过程中会非常平稳,然而当时有些参数却与预定要求不符。”长征五号副总设计师娄路亮在发射成功后向媒体解释。


“氢泵轴承处应该降到100多K(开尔文温度),就是零下170摄氏度左右,结果只降到了140多K,没有达到起飞的标准。”中国航天科技集团公司一院运载火箭系列总设计师龙乐豪院士表示。


发射场指控大厅里出现了骚动,科研人员聚成多个小组,讨论声在紧张的空气中回荡。


同一时刻,长征五号核心研制人员与专家火速商议,为了集中注意力,他们锁上了会议室的门。长征五号总设计师李东表示,发动机预冷问题事先反复讨论过多次,在合练中也单独做过试验,因此有预案准备。经过商议,研制团队制定出方案,这一方案并未超出预案范畴。据李东回忆,闭门会议大概开了20多分钟。


时间一分一秒过去,距离发射窗口后沿越来越近。实践17号卫星研制团队紧急研究,认为窗口可以后延至21点。


19点左右,已经撤退到安置点的一院15所陈通斌和谢建明师傅突然接到通知:返回发射塔架。


他们是长征五号芯一级氦配气台操作手,此时的任务是为火箭调整氦气供应,为氢氧发动机预冷。


一辆车载着包括陈、谢在内的4位操作手以最快速度回到塔架。他们到达工作岗位后,立刻按照指令操作供气设备。


当时燃料早已加注完毕,数百吨燃料悬在头顶,他们却没有任何时间为此担心。“这就是我的工作,没有想太多。”陈通斌事后回忆道。时间一分一秒过去,突然,屏幕上一直居高不下的温度数据大幅降低,很快便降至允许起飞的数值。陈通斌、谢建明等人以干净利落的操作,圆满解决了发动机预冷问题。


彼时已是19点30分左右,指控大厅里操作人员各自回到工作岗位,发射准备流程回归正轨。发射时间被确定为20点40分。


暂停,极限暂停


经过两个棘手问题的挑战,操作人员怀着十二分专注做着发射前的每项工作。那一刻,时间流逝得格外迅速。


长五火箭已在塔架静候多时,记者们的长枪短炮也等待了许久。在发射场四周,期待着一睹“巨无霸”飞天的人们,仍在海风中翘首以盼。


终于进入倒计时3分钟,01号指挥员下达口令“3分钟,准备!”点火在即。


令所有人始料未及的是,3分钟准备很快被暂停,点火时间再次后推。


其后,指令几度被暂停、重置,本应顺畅的流程,像尚未磨合的齿轮,卡了壳。


“1分钟,准备!”01号指挥员发出口令。长征五号箭在弦上。


“1分钟暂停,中止发射!”指挥员的命令再度被相关操作人员暂停。


“怎么了?怎么了?”另一名01号指挥员、长五总体主任设计师何巍连问两声,表情严峻。


操作人员面面相觑,脸上写满疑问,很多人站了起来。负责控制系统的长五副总设计师李学锋也“噌”地起身,走到前排查看数据。


长征五号总指挥王珏和总设计师李东却并未表现出过多的焦虑,他们坐在原地,静观事态发展。“我们的一线人员都是专业人士,他们很清楚各自负责的工作。”李东表示,而且几乎所有的问题均有预案。


长征五号副总设计师娄路亮解释道,屡次暂停倒计时是因为数据传输显示出现了故障,并非火箭本身的原因。操作人员没有及时得到相关数据,按照规定可以暂停流程。“对长征五号,我们一直很有信心。关键时刻要相信团队每一位成员,相信一线!”他说。


接下来,中国航天史上罕见的一幕出现了。进入倒计时10秒内,控制系统操作人员因为没有接收到相关数据,仍果断暂停了读秒。


“已经倒数读秒,(出现问题)关系到能否成功发射,没有时间多考虑,全靠我们的自信。”李学锋说。


操作人员判断没有问题。接着,恢复10秒倒计时。


终于,“点火”口令在等待了163分钟后响亮发出。长五火箭喷出千钧之力,缓缓起身、出塔,穿入云霄。


指控大厅里,情绪如闸门甫开,掌声、欢呼声瞬间爆发。


飞入天空的长征五号表现完美,助推器分离、抛整流罩,一气呵成。点火1821秒后,长五与载荷组合体成功分离,标志着长五首飞圆满成功。十年砺箭,终于一试霜刃。


作为我国运载能力最大、研制规模最大、技术跨度最大的一枚火箭,长五的研制难度远超现役火箭。研制人员经过10年艰苦攻关,实现了新技术应用几乎达100%的创举。难度大意味着风险也高,在发射前的近3个小时里,中国航天人依靠过硬的技术和万无一失的准备工作,终于克服了重重挑战,取得胜利。


回首这惊心动魄的近3个小时,李东认为,在倒计时阶段发现问题时,承担技术支持任务的年轻设计师们敢果断决定暂停,迅速判断问题性质,并重置倒计时,这需要相当大的勇气。


“这是研制团队技术过硬、有自信心的表现,是年轻一代航天人成熟的表现。他们的表现出乎很多人的意料,也出乎我的意料。他们真的是非常专业!”李东高度评价这支年轻的设计师团队。


“这是我们遇到的挑战和风险最大的一次航天发射,但我们战胜了困难,取得了成功。”长五总指挥王珏眼含热泪。


即使一颗心数次提到嗓子眼,但科研人员始终对自己的大火箭充满信心。


放眼未来 中国航天迎来更大的舞台


数据显示,有上万名航天人参与了长征五号的研制,研制生产各类产品19000台套,累计开展近7000次、1000余项地面试验。2016年初,长五试验队到中国文昌航天发射场合练时,大家通过统计发现,团队平均年龄32.8岁,给人以无限的希望和寄托。我国计划于2017年发射嫦娥五号探测器,登陆月球并采样返回。长征五号将成为此次任务的运载工具。


长征五号的整流罩直径达5.2米,一次能将20多吨重的空间站舱段送入太空。我国将用长征五号B发射空间站,已经计划了五次发射任务。


2020年,我国还将用长征五号发射火星探测器。后续一些地球同步轨道发射任务也在规划中。


“运载火箭的能力有多大,航天事业的舞台就有多大”长征五号是我国运载火箭升级换代的里程碑,也是我国由航天大国迈向航天强国的重要标志。它为我国新一代运载火箭系列化、型谱化发展奠定了坚实基础,将为后续探月、载人航天、火星探测等国家重大工程提供有力保障。其投入应用后,必将为我国未来航天活动提供广阔的空间。


(作者:佚名)
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