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长征2F火箭起飞120秒逃逸塔分离之后咋办?载人航天人命关天

发布日期:2022-05-12 11:37   来源:未知   阅读:

  载人空间站的核心是“人”,服务空间站建设与运营的天地往返运输体系的核心也是“人”,神舟号载人飞船发挥的关键作用不言而喻,而托举飞船升空入轨并保障航天员飞行安全的关键则是被誉为“神箭”的长征2F型载人运载火箭。

  长征2F型火箭首飞于1999年11月20日凌晨6点,距今已有将近二十二年,在长征五号、长征七号、长征八号为代表的新一代运载火箭接连成功的

  放眼全球运载火箭产品可谓是琳琅满目,但拥有高可靠、高安全、高质量三要素标准,

  具备载人飞船发射资格的火箭当今世界仅有三款,分别是联盟号、长征2F、猎鹰9号。

  长征2F火箭自2008年执行神舟七号发射任务之后就进行了升级改进,原型火箭至此停产,取而代之的则是长征2F/G型,火箭最大起飞质量提高10吨左右(为便于行文全文仍以“长征2F”型号名称书写)。

  高58.34米,芯一级直径3.35米,配置4台推力为75吨的单向摆动发动机,四枚助推器直径2.25米,各配置一台75吨推力固定喷管发动机,火箭起飞级推力约604吨,起飞质量480吨,200公里近地轨道42°倾角条件下的运力8.1吨。

  芯二级比较特殊,配置了两款发动机,分别是1台主发动机(芯一级发动机的高空版),以及1台游动发动机。

  ,该型发动机推力约4.8吨,有4个推力室,4个喷管环绕着主发动机布置,同时它也是整个火箭动力系统中最后关机的发动机,可以通过延长工作时间提高载荷入轨高度,从而调控运力,还可以消除主发动机关机后产生的推力偏差,进一步提高载荷入轨精度。

  民营航天公司“蓝箭航天”近日完成了朱雀二号火箭芯二级发动机300秒+750秒联合试车,该型火箭有望成为人类第一款实现入轨发射的液氧甲烷燃料火箭,其芯二级动力布局方案与长征2F芯二级如出一辙,也是由1台主发动机与1台4推力室游动发动机构成,可以说是老树开新花的经典案例,由此可见民营航天不是无源之水,而是植根于历经数十年积累的航天工业能力之上。

  ,其中高安全性是首当其冲的问题,因为载人航天,人命关天,它发射的不是冷冰冰的航天器,而是活生生的人。

  长征2F火箭的可靠性指标对标国际先进水平设定为不低于0.97,意思是100次发射有3次故障概率设计值,在发生故障的情况下也能确保航天员通过救生手段安全返回地面。

  同时,它还有一个0.997的安全性指标,意思在该型火箭1000次发射任务中有30次失败概率,在这30次失败的发射任务中有27次任务航天员可以通过救生手段安全返回。

  实际上神舟飞船也不可能发射1000次,甚至100次都不会有,因为产品是不断迭代的,届时会有新一代载人飞船与新一代载人火箭接替。

  因此神舟飞船的发射任务要求是次次成功,确保绝对安全。截至目前,长征2F系列火箭已经实施了14次发射任务,成功率100%,证明了不低于0.97可靠性指标的科学性。

  过往任务的成功是自信的压舱石,然而航天员飞天毕竟是躺在一个数百吨急速燃烧的燃料箱之上,其风险之高是不言自明的。就像墨菲定律指出的那样,如果事情有变坏的可能,不管这种可能性有多小,它总会发生,针对最坏情况长征2F运载火箭也早已做出了应变准备。

  长征2F与其他火箭的根本不同之处有两点,即增加了逃逸系统与故障检测处理系统。

  火箭高速飞行状态下故障通常以毫秒为时间单位产生反应,依靠航天员人为决策是否启动逃逸系统是非常不现实的,故障检测处理系统可以代为决策,它从火箭发射前半小时至船箭分离入轨那一刻全程监控火箭状态,并根据故障反馈自动决策采用何种逃逸手段。

  长征2F火箭最为与众不同的结构莫过于顶部的逃逸塔,逃逸塔是逃逸飞行器的重要组成部分。逃逸飞行器是一种类似羽毛球原理的逃逸装置,对飞行稳定性有着较高要求。

  逃逸塔最上部是配重结构,它可以使逃逸飞行器质心前移(类比羽毛球的球头),同时上部整流罩配置有4块栅格翼(类比羽毛球的羽毛),又可以使压心后移,二者共同作用确保逃逸飞行器的飞行稳定性。

  临近逃逸塔顶部配重模块的是“姿控发动机组合”,由4台相同推力的发动机组成,司职俯仰、偏航任务。

  姿控发动机的下面是分离发动机,它有两个作用,无危险正常飞行任务中负责分离逃逸塔,再就是执行逃逸飞行任务时为飞船返回舱与逃逸飞行器分离提供动力支持。分离发动机是1台

  分离发动机的下面则是逃逸主发动机,负责将逃逸飞行器整体带离危险区。它也是前置喷管固体火箭发动机,有4个喷管。

  火箭点火前出现故障有两种选择,一种是距离点火起飞还有较长时间,且故障产生极端危险还有较长时间冗余则告知航天员自行脱离飞船,并乘坐发射塔架的防爆电梯至地下掩体。

  另一种是风险问题一触即发,则启动逃逸飞行器将飞船带离危险区域,它可以将飞船推升至高度超过1300米,水平距离850米左右的空域。

  长征2F火箭+飞船组合体具备零高度至入轨全程逃逸能力,逃逸系统主要有三种工作模式,即

  逃逸飞行器由逃逸塔、上部整流罩、高空逃逸动力系统、栅格翼、支撑结构、灭火装置组成。

  有塔逃逸模式适用于起飞前15分钟至起飞后120秒,高度覆盖零高度至40公里左右的高空。

  故障检测系统一旦检测出高风险故障将立即自动发出逃逸指令,紧接着整流罩上部与下部,以及飞船返回舱与服务舱共同形成的分离面解锁,逃逸塔启动主发动机将整个逃逸飞行器与火箭分离,同时姿控发动机工作偏转逃逸飞行器飞行角度,进而脱离危险区,进入安全空域后分离发动机工作使返回舱分离。

  随后返回舱建立降落姿态,历经降落伞减速、抛大底、缓冲发动机点火,进而软着陆于地面,实现安全返回。

  火箭点火起飞120秒后逃逸塔分离,之后怎么办?届时将由逃逸飞行器的无塔逃逸模式发挥作用

  ,火箭上部整流罩外缘布置有高空逃逸发动机、高空分离发动机,逃逸流程与有塔逃逸类似。

  逃逸塔与高空逃逸系统看上去似乎是重复建设,实则不然。40公里以下中低空大气密度高且飞行阻力大,需要大推力逃逸动力,逃逸塔可发挥作用。

  超过40公里进入高空,大气密度低,此时也不需要大推力逃逸动力,如果继续使用逃逸塔则会有两个问题,一是逃逸塔的死重会拉低火箭运力,二是稀薄大气削弱逃逸塔的气动稳定力矩,其主发动机推力偏心将造成逃逸飞行器失稳,因此需要针对中低空与高空不同的工况设置不同的推力。

  整流罩会在起飞后约200秒时抛离,这也意味着逃逸飞行器全部抛离,届时安全保障将进入飞船自救模式。

  如果在大气层内遭遇危险,则船箭立即分离,此时飞船有两个选择,如果飞行高度尚不足以入轨则飞船三大舱段两两分离,返回舱按照既定流程返回地面。如果此时飞行高度足够则飞船启动轨道舱轨控发动机抬升轨道,进入环绕地球运行的低地球轨道,尔后择机分离返回舱返回地面。

  的逃逸方式显现出了更为高效的逃逸能力,它可以实现飞船从零高度直至船箭分离的全程安全保障,而且飞船无需整流罩,进一步提升了安全性。

  实际上这就是长征2F火箭整流罩布置的高空逃逸动力系统的变种,将其增大推力即可适应中低空逃逸任务,进而实现全程覆盖。我国新一代载人飞船预计也将采用推式逃逸系统。