送“天問一號”奔火,“長五人”還在奔跑

2020-10-11 09:08:00來源:文匯報

  2020年7月23日中午,“天問一號”搭乘長征五號遙四運載火箭,在文昌發射場順利升空,開啟了中國人的首次火星之旅。 (除署名外,均新華社發)

  來自國家航天局的最新消息,10月9日23時,“天問一號”探測器主發動機點火工作480余秒,順利完成深空機動。此次軌道機動在距離地球大約2940萬千米的深空實施。

  茫茫宇宙中, “天問一號”還將飛行4個月才能抵達火星軌道,它孤獨嗎?中國航天科技集團一院總體設計部長征五號運載火箭主任設計師黃兵告訴記者: “將 ‘天問一號’送上奔火軌道的長五遙四火箭芯二級,在器箭分離后,如同送子遠行后依依不舍的親人,仍伴隨在其身后,一起奔向浩渺宇宙的深處!

  長五遙四的芯二級也將造訪火星嗎?

  “‘天問一號’抵近火星引力圈后,會按預定奔火計劃主動制動減速,從而為火星軌道所俘獲,開始繞火飛行,為著陸火星做準備。而芯二級將繼續沿著橢圓軌道繞太陽飛行。如果不出意外,預計每隔兩年,它都會在離我們最近的距離大約200萬-300萬公里的太空與我們遙遙相望!

  “成功是差一點點失敗,失敗是差一點點成功”

  長五遙四運載火箭從文昌發射場騰空而起、飛越藍天白云的壯麗畫面,宣示了中國的行星探索之旅啟程,這一刻將永遠鐫刻在中國航天史上。

  航天人比我們更懂得成功的來之不易。黃兵對記者說,我們所有的航天人都知道這句話:“成功是差一點點失敗,失敗是差一點點成功!边@不是繞口令,一點點,就是這么一點點,就是成敗的分界線!

  這是對航天事業高風險的真切描述。惟其如此,航天人才能勝不驕、敗不餒,才能始終如履薄冰,敬終如始,精心再精心,嚴謹復嚴謹。

  黃兵是2006年加入長五研發團隊的。那年,長五正式研制剛剛起步。

  15年來,“長五人”經歷了無數次的曲折、坎坷。每次坎坷、每次失利,都讓他們刻骨銘心,不敢忘懷。

  2016年11月3日,海南文昌發射場,終于迎來了長五遙一首發。

  注入液氫液氧后,數據突然顯示發動機預冷未能達到要求。01指揮員立即啟動應急機制,發射中心和長五團隊一起分析研判,很快找到了問題的原因,決定排除故障。

  當時,距原定的發射“零窗口”只有3.5小時,何況發射燃料已注入,再要派技術人員登上發射塔架排故,所有人都捏著一把汗。

  “長五人”義不容辭地站了出來:一定要以最快最精準的操作解決問題。

  指揮部果斷決定:發射推遲,立即排故。

  當晚,南海夜空升起一道璀璨的軌跡,宣示長五首發成功。

  2017年的春天,長五團隊抱著必勝的信念,再次奔赴海南。此行計劃于7月2日,由長五遙二運載火箭將搭載的實踐十八號衛星送上太空。

  此次,黃兵更覺重擔在肩——首次擔任正式發射任務航天一院的01指揮員。為了確保航天發射成功,01指揮員歷來實行的是“一職雙崗”:一崗由發射中心的專家擔任;二崗由運載火箭研制單位的專家擔任。他們在發射中相互協作,互為替崗,及時溝通,在最短的時間里做出正確的決策。

  之前,長五運載火箭總指揮王玨、總設計師李東將此決定告知黃兵時,反復叮囑他作為01指揮員要把握全局,膽大心細,不僅要對整個大系統的所有制約條件都了然于胸,還要時刻掌握長五的測試狀態。

  黃兵自然不敢懈怠。7月2日發射之前,長五遙二走過的所有測試和作業流程,都非常順利。

  7月2日19時23分,長五遙二發射,相對“零窗口”時間只晚了10秒鐘。

  大屏幕上,發射工位烈焰奔騰,長五遙二冉冉升起。

  170秒,4臺助推器按計劃分離。

  280秒,整流罩分離,長五遙二已經飛出大氣層。航天專家最擔心的是運載火箭在大氣層內飛行時受各種因素干擾,一旦火箭飛出大氣層,外界干擾風險大大降低。此刻,大家感覺已勝利在望。

  突然,黃兵發現傳輸回來的數據出現偏差:長五遙二的速度增加量開始偏離,高度也逐漸偏離,火箭實際飛行軌跡與測控指揮中心大屏幕上顯示的理論飛行軌跡漸漸分岔拉開,出了什么問題?

  原本氣氛熱烈的測控指揮中心大廳,突然鴉雀無聲,所有的目光都聚焦那分岔越來越明顯的曲線上。

  航天發射所有的應急處置預案,就在01指揮員座位的后面,足有半人高。但火箭發射后是按事先裝訂的數據飛行,地面無法掌控。

  火箭仍在加速,但方向不是預定的軌道,而是轉向地面急墜!

  346秒,傳回來的各種信號均顯示:長五遙二發射失利。

  火箭都已經飛出大氣層了,都346秒了,最令人痛惜的失敗,就是那差一點點成功的失!

  難忘那908天,含淚跑過“至暗時刻”

  “當時,我們誰都不敢肯定問題出在哪里!”黃兵說。

  整整兩天三夜,長五團隊不分晝夜地在發射中心查找火箭故障的原因,但撲朔迷離,迷霧團團。

  直到后來才查明,這次故障隱藏得特別深。發生故障的遙二火箭芯一級液氫液氧發動機的某個部件,與首次成功發射的遙一火箭使用的部件完全相同。同樣的部件,遙一成功了,在遙二發射前地面所進行的幾萬秒試車時也經受住了考驗,其“完美”的狀態導致現有的預警機制都未能激活,從而躲過了所有可能的改進嘗試。

  也許,這里只是一個概率問題。毫無疑問,它再真切不過地詮釋了航天事業的“成功是差一點點失敗,失敗是差一點點成功”!

  而航天一院人的信念是:運載火箭必須不帶任何隱患上天,我們交出的必須是精品火箭!

  “長五人”帶著重重疑問回京,步履沉重地走下航班的舷梯。出人意料的是,航天一院領導們依然到首都機場來迎接他們。與遙一首發成功回京一樣,院領導們依然帶來了對長五團隊的信任:別灰心,相信你們一定能找出失利的原因!

  “當時我們的壓力確實太大了!”黃兵告訴記者,“長五是我國航天研制的首個大型運載火箭,它不僅承擔著火星探測發射任務,而且還肩負著中國探月工程三步走‘繞落回’邁出最關鍵的一步,也就是‘嫦娥五號’的月壤和月巖的采樣并返回地面的使命;同時,我國首個空間站的建設任務,依然要用長五發射來完成。長五遙二原因不明的失利,將直接影響中國航天一系列重大工程的進展!

  長五運載火箭總指揮王玨告訴記者:“長五的近地軌道能力是25噸級,就是22噸到25噸;地球同步轉移軌道能力達到14噸級,也就是12噸到14噸。而執行探火任務,火箭速度必須略大于第二宇宙速度,也就是速度值要達到每秒11.5—11.7公里,才能將5噸重的‘天問一號’探測器送到奔火軌道,而長五火箭是國內能滿足這一要求的唯一選擇。5噸級的運載指標,也是目前世界現役火箭能達到的滿足奔火要求的最大能力!

  航天業內有個不成文的規矩,一個新火箭的新技術運用通常不超過30%,一旦超過30%,面臨風險太大。長五從動力系統、箭體結構到控制系統、測量系統以及地面發射支持系統等都大量采用全新技術,其使用的新技術多達95%。

  所以,從傳統的以長三甲系列和CZ-2F火箭為代表的中型運載火箭到長五大型運載火箭,是跨代式發展。長五從總體設計到分系統設計,再到單機研制,通過大量的各級試驗驗證,逐漸可靠成熟,最后實現了整個火箭的集成研制,歷經坎坷。

  總指揮王玨說:“長五采用4個助推器,每個助推器有2臺120噸推力的發動機,芯一級有2臺77型發動機,芯二級有2臺75D型發動機。這總共12臺低溫發動機、3個低溫模塊,它的飛行時序動作是我國現有的運載火箭中最復雜的,整個飛行動作要達到2200多個,進入到發射程序里面的關鍵設備達到數百臺,箭上設備的數量,也是我國目前運載火箭最多的,達到數千臺,零件、元器件達到數十萬件!

  長五為什么一定要采用低溫發動機?有“金牌火箭”之稱的長三甲系列主要采用的是常溫發動機,技術不是已經十分成熟了嗎?

  黃兵說:“推進劑通過發動機燃燒釋放出來的能量比,稱之為發動機的‘比沖’。使用液氫液氧低溫發動機的比沖可以達到450s,而使用偏二甲肼、四氧化二氮等常規燃料的發動機比沖僅為270s,前者的比沖要高出后者近70%。而且液氫液氧無毒環保,不會對大氣造成污染,對環境和人友好。這就是現在世界主流的大型、重型火箭都使用低溫發動機的原因!

  “遙二失利后回到北京后的3個月,我們團隊幾乎是沒日沒夜地查找故障原因!秉S兵說,“那時,我幾乎天天看遙二最后的影像資料,每次都看得觸目驚心,內心痛苦萬分,但看著看著,覺得每次都不一樣!

  分析、仿真、復現、驗證……那3個月,長五團隊幾乎沒人回家,每天晚上大家都工作到一兩點鐘,然后就在單位安排的宿舍休息,一早醒來又接著再干。

  直到2018年三四月間,終于實現了長五發動機故障“歸零”。但“歸零”之后,還必須驗證,于是用了好幾臺發動機進行點火試驗。點火試驗進行了4000-5000秒,都很順利。

  “2019年4月上旬,誰也沒想到就在計劃的發動機驗證試驗快結束時,我們突然發現某個振動數據有點復雜,不太‘干凈’。當時就決定把它拆開,果然發現某個部件有極微小的肉眼都無法發現的裂紋。但誰也不知道一旦火箭高速飛行時,這個裂紋的擴展速度有多快!秉S兵說,“這個微小的裂紋對我們的打擊太大了,我們不能帶著一絲隱患上天。原定5月份隊伍就要再赴海南,準備長五遙三的發射,這下發射又要推遲了!

  危難時刻,航天一院黨委書記李明華臨危受命,擔任長五火箭的“第一總指揮”。這一崗位只有在航天任務面臨巨大挑戰時,才會增設。

  經過大量的仿真分析和故障排查,2019年5月3日,研制人員終于找到了發動機問題的癥結——一種復雜的類共振現象。要解決這個難題,就必須從結構上大改。

  長五的研制,已經走過了10多年的歷程。再要進行結構上的大改,談何容易!第一總指揮李明華面對著艱難的抉擇:推倒重來的大改就意味著重新設計、驗證、生產,肯定能解決問題,但至少需要兩年時間,將導致多項重大工程任務推遲;而局部改進的小改雖然省時間,但面臨復雜機理,誰都沒有百分之百的把握能徹底解決問題,這如何是好?

  究竟大改還是小改?專家意見都不一致,研制再遇瓶頸。在方案討論會上,通過對問題的仔細分析和綜合權衡,第一總指揮李明華一錘定音——采用局部針對性改進的方案。他果決地說:“這件事是我定的,出了問題我負責;但是誰要是不執行,誰就要對我負責!

  在確定改進方案后,憋著一口氣的長五團隊真的“拼”了。僅用了28天,他們就拿出了原本需要半年時間的試驗產品,并順利通過了第一次考核。

  2019年12月27日,長五遙三成功發射。真的演繹了一幕現實版的“王者歸來”!

  黃兵說:“現在回過頭去換個角度想一想,去年4月發現的那道裂紋,真是老天對我們的眷顧。要是它也躲過了所有的地面試車,一旦正式發射了怎么辦?僥幸心理是航天發射任務的大忌!

  發現了隱患不可怕,沒有發現隱患才可怕!

  發射成功了,沒有太多時間慶祝

  在重慶涪陵長大的黃兵,少年時代是調皮的,有時玩高興了也會做出不著調的事情。初二那年,部隊出身的父親找他談了一次意味深長的話,神情異常嚴肅。父親沒有打他,但當時的情景,他至今記得!昂媚袃褐驹谒姆,” 父親頓了頓,“你這樣下去怎么辦?將來別說志在四方到外面去發展,就是在涪陵可能都難以立足,誰要你啊!

  就這么兩句話,點醒了懵懂少年郎。從此他開始發奮學習,2002年他考上了中國航天科技集團第一研究院的研究生,正式踏進航天事業。

  從我國的運載火箭研制史來看,動力系統試車是很少一次能夠成功的。前些年,長五芯一級火箭氫氧模塊首次試車。芯一級的直徑是5米,長度超過30米,固定在試車臺上,加注完成后,指揮員下令“點火!”發動機瞬間噴出長長的火焰,溫度高達1000多攝氏度。

  意想不到的是,熊熊大火把發動機下面的“防火裙”點著了,現場很多人面面相覷,不知如何是好。會不會爆炸?李總很鎮定,說:“繼續!”但防火裙上的火越燒越旺了,連外單位來考察觀摩的領導都有些坐不住了,頻頻扭頭朝指揮席上看過來。

  “我當時坐在李總邊上,就問了一句:火勢不小,繼續還是關機?一般情況下,大概率會考慮關機。沒想到平時溫文爾雅的李總超鎮定,說:‘堅持下去!’預定的400多秒試車計劃終于如期完成!秉S兵告訴記者,“試車一結束,我們趕緊跑過去看防火裙和火箭尾艙,防火裙有好多層,里面的幾層和火箭尾艙完好無損。如果我們緊急關機,整個大計劃勢必推遲!

  不畏難,不放棄,既要迎難而上,又要沉得住氣。

  今年7月23日,長五團隊再次迎來歷史性的時刻:將“天問一號”探測器送入奔火軌道。

  黃兵仍是航天一院認定的長五遙四發射的火箭系統01指揮員。

  23日凌晨2點41分,“天問一號”發射啟動-10小時倒計時。

  -2小時左右,裝有600噸左右的液氫、液氧燃料和助推劑的長五遙四,開始對發動機進行氫系統預冷。

  發動機為什么要“預冷”?當天,海南文昌最高氣溫為34℃,當時發動機是常溫狀態的,也是34℃左右。這個34℃,是相對我們“常溫狀態”的環境而言,但它相對于-183℃液氧和-253℃的液氫來說,可不是“常溫狀態”,而是如同燒紅的鐵板一樣是“高溫狀態”。一盆水潑到燒紅的鐵板上會發生什么情況?水會瞬間汽化。-253℃的液氫,已經接近絕對溫度,如果發動機不預冷,那在發動機點燃的瞬間,-253℃的液氫和-183℃液氧沖進“高溫狀態”的發動機,液氫液氧就會瞬間汽化,不僅發動機根本無法正常工作,甚至會直接影響箭體的安全。

  -10分鐘,低溫推進劑繼續補加,脫開整流罩的空調管路。

  -10秒,文昌發射場01指揮員王光義開始倒計時:“10、9、8、7……”

  有網友說,“這發射程序其實計算機都算好了,即使最后01指揮員不喊‘點火’,不按按鈕,火箭一樣會發射!闭媸沁@樣嗎?

  “火箭的飛行諸元確實已經輸入,但點火按鈕仍是必須按的!秉S兵說,“否則,如果倒計時過程中,出現異常情況怎么辦呢?”

  隨著“點火!”一聲令下,長五遙四芯一級2臺發動機和8臺助推火箭發動機同時點燃。噴薄而出的烈焰為860多噸重的長五遙四火箭騰飛積蓄起巨大的能量,9秒鐘后,近1070噸的巨大推力將火箭徐徐舉起。

  這激動人心的時刻,發射指揮大廳里的01指揮員在關注什么?

  “我只能通過大屏幕看到火箭起飛后的數據,但仍能感受到從發射工位地面傳來的微微顫抖。我們更關注影響火箭發射成功的‘必保參數’的狀態,”黃兵說,“也就是長五的速度、高度,以及發動機的轉速等等,這些關鍵數據都會傳遞到我們桌前的屏幕上,我們持續關注著這些數據是否正常!

  1分鐘后,長五遙四消失在發射基地人們的肉眼視線里,只留下雷鳴般的轟響依然回蕩在海天之上。

  測控中心指揮大廳正中的大屏幕上,實時顯示著火箭運行中的重要信息:2167秒,星箭成功分離,芯二級將“獨闖天涯”的“天問一號”探測器送入奔火軌道。

  在這長五遙四成功發射之夜,長五總設計師李東激情難抑,詩興澎拜:

  我有擎天箭,巍峨刺青天。

  錘鍛卅四載,磨礪十四年。

  鋒芒遮日月,錚鳴動河川。

  傲然臨南海,磅礴天地間。

  今朝雷霆起,化龍翱云端。

  昂首上宵漢,騰身絕塵寰。

  赤焰卷八荒,吟嘯九重天。

  扶搖十萬里,巡看五千年。

  屈子曾有問:列星安陳顯?

  今朝換日月,我輩慰先賢:

  欲考上下形,求索看航天,

  星河路雖遠,我有中國箭!

  “失敗了,我們沒有時間悲傷;成功了,也只能高興一會兒,沒有太多的時間慶祝!崩顤|說。

  “天問一號”發射成功后,長五團隊馬不停蹄,又投入將在今年年底進行的嫦娥五號任務和明年年初中國空間站核心艙段的發射準備工作。

  正在為新的發射而緊張準備的黃兵告訴記者:“長五的成功,意義還不僅如此。中國航天科技集團已經開始研制長征八號運載火箭和長征九號重型火箭,使用的都是液氫液氧低溫發動機。長五的成功,可為這兩款新型運載火箭提供可借鑒的經驗!

  長征九號,作為我國第一款重型火箭的推力有多大?

  “重型火箭在地面的推力將會超過3000噸!秉S兵說。超過3000噸的推力,約長五推力1070噸的3倍,這讓我們對它的威力和使命充滿想象。

  而長征八號,有望突破“可重復使用”的難關,使其發射成本在國際市場更有競爭力。

  運載火箭的威力有多大,中國航天事業的舞臺就有多大。

  成功打出了第二宇宙速度的“長五人”,不僅含淚跑出了“至暗時刻”,而且沒有停下腳步,依然在向新的高度奔跑……

 。ㄖ斚蚝教煲辉涸、王偉童同志對本報的支持致以衷心感謝。)(記者 鄭蔚 制圖:邢千里)

編輯:魏倩

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