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長征七號遙三火箭為何兩次錯過發射視窗

自5月16日天舟二號/長征七號遙三火箭組合體轉運至文昌發射場201工位以來已有十餘天時間,期間錯過了原計劃5月20日發射視窗,次日再次嘗試發射又錯過了第二個發射視窗,然而好飯不怕晚,5月29日20時55分,零號指揮員下達點火指令,長征七號遙三火箭隨即點火升空。

長征七號遙三運載火箭點火起飛

為什麼長征七號遙三火箭連續兩次錯過發射視窗?具體技術原因目前已知的是

“壓力引數異常”

,更多細節有待官方進一步公佈,無端猜測沒有任何意義,但這並不妨礙從另一個角度管中窺豹。

我們遵循

“不把問題帶到天上,一切問題必須在點火前解決”

的鐵律,“問題”指的是已知問題,這是對任務成功的極致追求。

長征七號遙三垂直轉運

因為唯有成功才能專注發展,當前載人航天工程已經駛入深水區,長征5B遙一火箭成功發射、天和核心艙順利入軌並完成在軌測試驗證,載人航天第三步規劃全面進入任務實施階段。

載人航天無小事,天舟貨運飛船雖然在發射階段不搭載航天員,但卻是載人飛行不可或缺的先決條件,其成敗關乎天宮空間站能否實現航天員長期駐留這一核心任務。

從天和核心艙俯瞰地球

無獨有偶,就在天舟二號延遲發射期間,執行OneWeb-7任務的聯盟號2。1b火箭也因為技術原因延遲發射,去年久經戰陣的成熟型號德爾塔-4大型運載火箭也曾遭遇多次推遲、兩次中止發射的情況。運載火箭發射是大系統工程,發射場保障、火箭狀態、氣象等等影響因素一大堆,任何一個環節出現問題都是風險,所以必須慎之又慎。

在歷經點火起飛、助推器分離、芯一級關機、芯一級分離、級間分離、二級點火、整流罩分離、二級關機、船箭分離一系列飛行時序動作後,天舟二號貨運飛船順利進入預定軌道,火箭上升段飛行總時間約604秒。

天舟二號任務“大紅屏”

長征七號是新一代無毒無汙染運載火箭型譜中第一款中型運載火箭,同時也是全液氧煤油推進劑火箭,採用二級半構型設計,芯一級與芯二級直徑均為3。35米,捆綁四枚2。25米直徑助推器,整流罩直徑4。2米,火箭全長53。1米,起飛質量約594噸,起飛級總計6臺YF-100液氧煤油發動機,起飛推力約735噸,近地軌道運力13。5噸。

長征七號是對標天舟貨運飛船發射業務的專用火箭,同時該型火箭也是長征2F載人運載火箭的換型火箭

。當前長征七號火箭已經實現三次發射全部成功的圓滿戰績,經後續多批次天舟貨運飛船發射任務歷練後可靠性安全性進一步提升,將能夠滿足載人火箭的各項技術標準。

長征七號有望成為我國新一代載人火箭

旨在服務載人月球任務的20噸級新一代載人飛船未來也將派生出用於近地軌道空間站天地往返任務的新載人飛船,長征七號火箭將對標該型飛船,進而轉型為新型載人火箭。

船箭分離後約2分鐘天舟二號貨運飛船太陽翼解鎖,該太陽翼與天和核心艙太陽翼一樣皆應用了光電轉化效率達30%以上的三結砷化鎵電池。

天舟二號貨運飛船

天舟貨運飛船採用推進艙與貨艙組成的兩艙設計,總計有四種構型,分別是全封閉貨船、半開放貨船、全開放貨船,以及小型艙段運輸型,此次發射的天舟二號是全封閉貨船。

全封閉貨船、半封閉貨船、全開放貨船

前三種構型皆具備推進劑在軌補加能力,全封閉貨船用於空間站艙內載荷貨運,半開放貨船則在前者基礎上拓展艙外載荷運輸能力,全開放構型則主要用於艙外載荷運輸。艙段運輸型可以部署5噸級小型艙段。

天舟系列半封閉構型貨船

天舟貨運飛船有兩項傲視全球的效能,一個是

上行運輸貨重比超過0.5

,此項指標居於世界現役貨運飛船之首,貨重比指貨運重量與飛船發射總質量的比值,是衡量貨運飛船效能的核心指標。

天舟二號熱真空測試

世界現役貨運飛船除天舟號以外還有進步MS、天鵝座、貨運龍,其中貨重比最接近天舟的是天鵝座貨運飛船,但其上行運力僅3。5噸,而這又是天舟號另一項傲視全球的效能,即世界第一的上行貨運能力。

天舟貨運飛船總長約10.6米,最大發射質量13.5噸,上行運力6.9噸。

用於貨物裝載的空間高達18立方米,這還不包括航天員的活動空間。貨艙內有蜂窩結構貨架,裝載於貨架上的貨包還有統一的尺寸規格,裝載效率更高效。用於搭載不同規格的貨包。

天舟飛船貨艙

值得一提的是,天舟一號貨重比是0。48,上行運力6。5噸,天舟二號的最新資料表明,該型飛船又實現了新的自我突破,沒有對手時就把自己當對手。

全球現役貨運飛船中只有兩款具備推進劑在軌補加能力,一個是進步MS,另一個就是天舟。

天舟貨運飛船率先應用了推進/補加一體化設計,推進劑總攜帶量3。5噸,其中補加推進劑攜帶量2。1噸。8只400L金屬膜片貯箱分為推進模組與補加模組,兩個模組之間可以視任務需求靈活切換,這一點進步MS貨運飛船就無法做到。

艙外航天服

天舟二號是天宮空間站的首發貨運飛船,

搭載了航天員生活物資、艙外航天服、平臺裝置、應用載荷、補給推進劑等貨物

發射入軌後天舟二號的第一個任務考驗就是交會對接,此前我國在載人航天二步走任務中基於天宮一號與天宮二號兩座空間實驗室實施了多次手動/自動交會對接,並在此基礎上基於嫦娥五號任務實現人類首次月球軌道無人自動交會對接,空間交會對接技術爐火純青。

天舟一號與天宮二號對接

天舟二號貨艙頂端配置有內徑80釐米的異體同構周邊式對接裝置,此類對接裝置有兩大核心優勢:首先相較於聯盟號載人飛船使用的杆錐式對接裝置對接通道更通暢無阻礙,再就是目標飛行器與追蹤飛行器對接裝置配置相同,都有三個導向瓣,便於實施太空救援行動。

天舟貨運飛船有三個交會對接方案,一種是48小時交會對接,另外兩個分別是6。5小時與8小時快速交會對接。

48小時交會對接也是神舟號、載人龍、聯盟系列等載人飛船的通常選擇,載人航天器交會對接首先要考慮人的因素,即航天員的身體狀態,進入微重力空間環境約6小時後航天員會出現空間運動適應綜合症,約48小時左右症狀消失。

快速交會對接示意圖

載人航天器交會對接有自動與手動兩種模式,自動是首選,但手動模式也是確保交會對接萬無一失的必備條件,因此航天器交會對接的時機選擇有兩個,即6小時左右或者48小時左右,從而確保航天員保持最佳身體狀態執行交會對接任務。

從交會對接安全性角度考慮,通常由貨運飛船率先進行快速交會對接技術驗證,待成熟之後再拓展至載人飛船。

早在2017年天舟一號任務期間我們就驗證了6.5小時快速交會對接技術

,其實不論是何種對接方案原理都是一樣,皆分為遠距離導引段、近程導引段、最終逼近段、對接停靠段四大階段,不同的是目標飛行器與追蹤飛行器接近速度快慢,也就是繞地球飛行圈數的多寡。

天舟一號逼近段

天舟一號6。5小時快速交會對接執行的是4圈接近對接方案,同時在國際上率先應用基於絕對定位資料的快速交會對接自主導航與制導方案,整個過程無需地面干預,是真正的全自主交會對接。

具體到天舟二號應用的則是8小時快速交會對接,將實施6次自主變軌。

‍天和核心艙後端對介面

天舟二號將首先與天和核心艙後向對介面對接,完成對接後可以在無人狀態下進行推進劑在軌補加,半個多月後神舟12號載人飛船發射入軌與天和核心艙前向對介面對接,3名航天員進入組合體,並手動開啟天舟貨運飛船艙門,緊接著就是搬貨。

天宮空間站一字形構型

天舟飛船停靠期間也將發揮儲藏間作用,神舟12號對接核心艙三個月後撤離,緊接著天舟二號與核心艙後向對介面分離,並繞飛至核心艙前向對介面對接。

天舟二號繞飛對接核心艙前向對介面

完成二次對接後天舟二號將驗證天和核心艙前向對介面推進劑在軌補加能力,之後天舟三號與核心艙後向對介面對接,神舟13號與核心艙徑向對介面對接,此時天宮空間站將形成由一個核心艙、兩艘貨運飛船與1艘載人飛船組合而成的近60噸的大型空間組合體。

今年天宮空間站可見的最大構型

待第二批航天員乘組進入空間站後,天舟二號與核心艙前向對介面分離執行

機械臂輔助轉位對接試驗

,談到這裡就需要提到天舟二號與天舟一號相比的不同之處。

天舟二號在貨艙頂端對介面附近的

前錐段安裝了一個介面卡

,它主要用於與核心艙天和機械臂末端執行器對接。

‍機械臂對接介面卡

與核心艙前向對介面分離後天舟二號將再次逼近核心艙前向對介面,此時天和機械臂將轉移至核心艙小柱段天頂方向臨時泊位,並與天舟二號介面卡對接執行捕獲操作,爾後將其轉移至徑向停泊口,從而完成轉位對接試驗,為明年到來的問天與夢天兩座20噸級實驗艙轉位對接任務做準備。

天和機械臂輔助轉位對接

縱橫天宇以夢為舟的天舟二號正式拉開了天宮空間站高密度發射任務的大幕,雖然此次點火飛天之前的幾天有一些波折,但這也正是今年“空間站關鍵技術驗證階段”發現問題解決問題的應有之意。接下來還有神舟12號、天舟三號、神舟13號三次發射,且都將在餘下的半年內完成發射。

長征七號遙三火箭為何兩次錯過發射視窗

祝融號火星車發來的祝福

明年我們還將開啟“空間站在軌建造階段”,並在明年年底前後完成天宮空間站的在軌建造,距離單獨擁有一座大型載人空間站的日子已經越來越近,與此同時發來祝福的還有遠在數億公里深空的祝融號火星車,玉兔二號當前也正在月球背面穩定執行,還有位於日地拉格朗日L1點的嫦娥五號軌道器,一幅征戰太陽系波瀾壯闊的圖景已經呈現在我們的眼前。

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