更高的可靠性和安全性:“神箭”的“自我提升”

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更高的可靠性和安全性:“神箭”的“自我提升”

2022年11月21日

搭载着神舟十五号载人飞船的


【资料图】

长征二号F遥十五运载火箭

稳稳转运至发射区

即将执行空间站建造阶段的

最后一次载人飞行任务

作为中国航天史上技术最复杂的“航天员专列”,“神箭”长征二号F(以下简称“长二F”)运载火箭的每一次亮相,其可靠性和安全性都会再度提升。长二F运载火箭是在长征二号E运载火箭的基础上,按照发射载人飞船的要求,以提高可靠性、确保安全性为目标研制的火箭,在长征二号E基础上增加了逃逸系统和故障检测处理系统,其可靠性指标从0.91提升至0.97,安全性指标达0.997,完成了普通运载火箭到载人运载火箭的跨越。

自中国空间站建造以来,长征二号F运载火箭也迎来了高密度发射任务。为满足空间站阶段新的任务需求,长二F运载火箭不断通过技术创新和设计改进,其可靠性指标已由原来的0.97提升至0.98,安全性指标提升至0.99996,也就是火箭发射10万次,才会有4次逃逸失败的可能。在保障航天员安全方面,做到了比“万无一失”更好,为空间站阶段载人飞行任务的顺利实施提供了有力保障。那么,长二F运载火箭的可靠性和安全性是如何提升的?

完善逃逸控制发动机点火时序

低空逃逸,特别是发射台逃逸,是长二F运载火箭所有逃逸程序中最为复杂的一项。长二F运载火箭联合飞船系统,针对历史实测低空风场,对低空逃逸救生的影响进行了分析,发现在少量低空风的作用下,发射台逃逸时存在返回舱落点距离发射点小于500米的情况,有可能造成返回舱重新落入故障火箭爆炸范围内,对航天员生命安全造成威胁。

为了进一步增加逃逸救生的可靠性,保证航天员的安全,针对有风情况下发射台逃逸,科研人员提出了改变逃逸飞行器控制发动机点火策略,以提高对于低空风场的适应性。根据分析结果,采取更改控制逃逸发动机点火策略、在射前决策控制发动机点火状态的措施,可提高在低空风的作用下返回舱落点远离危险区的概率。

全箭FMEA再分析

在优化研制过程中,为了进一步提高火箭对故障的适应性能力,消除薄弱环节,科研人员针对全箭各系统产品,尤其是新研产品重新开展了一轮故障模式及影响分析工作(简称“FMEA”),包括设计FMEA、工艺FMEA和软件FMEA,覆盖准备阶段、发射阶段、飞行阶段和逃逸阶段,查找薄弱环节,确认设计改进和使用补偿措施的充分性和有效性;对于继承前期或仅相对前期适应性更改的产品,对其FMEA进行了复查、确认。

通过针对所有故障模式制定有效措施,如设置强制检验点等,进一步降低全箭故障发生的概率,提升火箭可靠性。此次长二F遥十五运载火箭在提高可靠性方面进行了26项技术状态变化和更改,如耗尽关机变换器,科研人员识别出个别器件存在单点失效模式,因而将相关器件进行了冗余改进。

全箭飞行时序链路分析

针对涉及控制系统、火工品、发动机等关键产品多,影响飞行成败的点火、分离等关键环节,科研人员开展了设计指标闭合检查工作。针对点火-起飞、逃逸塔分离、助推器分离、级间分离、整流罩分离、船箭分离共6个正常飞行时序功能,4个逃逸程序和船箭应急分离飞行时序功能,共11个关键环节开展指标闭合性检查。通过对火箭各系统射前地面工作流程和飞行时序的设计正确性,系统间时序动作协调匹配性,控制系统、火工品、发动机等重要产品的设计状态、实际指标等重要因素进行复查确认,保证全箭飞行动作的稳妥可靠。

优化测试发射流程

在空间站阶段,长二F运载火箭面临新的挑战。一是发射频率增加。按照空间站长期有人照料的目标,每年需发射两艘神舟飞船,半年执行一次飞行任务,将航天员送入空间站,实现乘组轮换。二是新增应急救援需求。为保证航天员在空间站工作期间的安全,当停靠空间站的载人飞船发生不能安全返回的故障时,地面启动载人飞船应急发射任务。因此,在航天员在空间站工作期间,长二F运载火箭采用了“发射一发,备份一发”的模式,两发火箭轮流“站岗”。“值班”火箭如接到应急救援命令,可随时实施应急救援发射,保障航天员生命安全。

基于“滚动备份”的发射模式,科研人员设计了“串行”和“并行”两种测试发射流程,并在此基础上,将两者的优点结合起来,设计了“串并行”测试发射流程。“串并行”模式可比“串行”模式节省7天时间,比“并行”模式仅多4天,不仅可以保证人力资源的高效利用,还可以兼顾整流罩线和逃逸塔线的工作,进一步提高发射场工作效率。

长二F运载火箭从研制至今,已陪伴中国载人航天走过三十年,是名副其实的“金牌老将”。对于载人运载火箭来说,航天员的生命安全是最重要的,为确保更高的可靠性和安全性,“神箭”的“自我提升”必将托举着中国载人航天事业迈入新的阶段!

预祝神舟十五号发射

取得圆满成功!

(中国载人航天)

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