“问天实验舱”发射任务是我国
首次进行大推力火箭“零窗口”发射
【资料图】
这个“零窗口”发射有多难？
长五B如何应对“零窗口”发射挑战？
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西昌卫星发射中心总工程师 钟文安：发射时刻不能超过1秒，我们还制定了一千多个预案。
西昌卫星发射中心副主任 毛万标：最大的挑战就是“零窗口”发射，技术的复杂性和难度以及应急处置可能带来的风险都非常巨大。
航天科技集团一院长征五号运载火箭副总设计师 黄兵：你稍微偏一点可能就对后面的交会对接形成很大的一个压力。
揭秘中国空间站故事
“问天”实验舱将于近期在海南文昌航天发射场实施发射。这是一次“零窗口”发射，这也是我国空间站的第二个舱段。今天的《时空观察》我们就要开始为您揭秘中国空间站的故事。
中国空间站的故事是从“三步走”战略开始的：
第一步，发射载人飞船，建成初步配套的试验性载人飞船工程，开展空间应用实验。
第二步，突破航天员出舱活动技术、空间飞行器交会对接技术、发射空间实验室，解决有一定规模的、短期有人照料的空间应用问题。
第三步，建造空间站，解决有较大规模的、长期有人照料的空间应用问题。这就是中国空间站故事的起点。
载人航天“三步走”年底完成空间站建设
“三步走”中的“前两步”均已实现。今年年底，中国载人航天工程将完成第三步：中国空间站的建设，这意味着“三步走”的发展战略全部完成。从今天开始，《时空观察》推出系列报道《中国空间站故事》，揭秘在中国空间站建造过程中，中国航天人攻坚克难，鲜为人知的创新故事。
2020年5月5日，长征五号B运载火箭首飞成功，正式拉开我国载人航天工程“第三步”任务的序幕。《中国空间站故事》系列报道的开篇就要从长征五号B说起。
将执行“问天实验舱”发射任务
目前，正在太空运行的空间站天和核心舱已经迎来了三批航天员。此次执行“问天”实验舱发射任务的，依然是我国空间站舱段的专用座驾——长征五号B运载火箭。
我国首次进行大推力火箭“零窗口”发射
“问天实验舱”发射任务，是我国首次进行大推力火箭“零窗口”发射，刚才短片中大家看到的，就是此次发射任务的主要负责人，他们心中的担心，这也引出了今天《时空观察》的三个问题。
“零窗口”发射有多难？
如何应对“零窗口”挑战？
推力大 入轨难 高精度入轨难题如何解？
下面就让我们走近中国文昌航天发射场，去了解高精度发射背后的精心准备，一起看看“零窗口”发射有多难↓↓↓
海南文昌：精心准备 确保“零窗口”发射
走进文昌航天发射场，垂直总装测试厂房、指挥控制大楼、测控点号……处处可见航天工作者们忙碌身影，为了实现“零窗口”的高精度发射，他们精心准备、精心组织、精心实施，确保分秒不差顺利点火发射。
西昌卫星发射中心总工程师 钟文安：此次发射是长5B火箭首次执行交会对接任务，与核心舱交会对接需要零秒发射，发射时刻不能超过1秒。为提高射前应急处置能力，我们还制定了一千多个预案，全部进行了验证和演练，确保遇事沉着有预案。
为了瞄准“零窗口”顺利发射，他们科学统筹各方力量，按计划完成了一号塔架射后恢复、产品进场、垂直总装和技术区测试等工作。
问天实验舱任务01指挥员 廖国瑞：着重加大实装操作、合成训练、故障排查、应急处置等训练力度，有效提升人员遂行任务能力，确保任务状态受控、节点受控，确保发射任务圆满成功。
长征五号B运载火箭：空间站专用座驾 我国最强低轨运载火箭
即将执行发射任务的长征五号B火箭，是目前我国运载能力最强的火箭，距离地面200到400公里低轨道的运载能力达到25吨。此次是长征五号B运载火箭执行的第三次发射任务。2020年5月5日，长征五号B首飞，将我国新一代载人飞船试验船成功送入预定轨道。2021年4月29日，长征五号B遥二运载火箭成功将空间站天和核心舱送入预定轨道，中国空间站在轨组装建造全面展开。经历了两次重大任务的洗礼与考验，此次长征五号B又将把我国空间站的第二个舱段——问天实验舱送入太空。
作为我国运载能力最大、系统最复杂的大型低温运载火箭，由它实现“零窗口”发射有多难？长五B如何应对“零窗口”挑战？
挑战首次“零窗口”发射 经历什么？
此前，我国的长征二号F、长征七号火箭已经执行过多次“零窗口”发射任务，可以说是驾轻就熟。然而对于长征五号B这个大块头来说，这还是第一次。
西昌卫星发射中心副主任 毛万标：这次任务问天实验舱是要和天和核心舱进行对接的，所以说它对发射的时间有非常严格的要求，主要是因为交会对接的一些需要。那么这次我们最大的挑战是“零窗口”发射。技术的复杂性和难度以及应急处置可能带来的风险都非常巨大，这对我们提出了很大的挑战。
此次长五B火箭将要发射的“问天”实验舱是全世界现役在轨最重的单体航天器。为了发射它，长征五号B配备了两台50吨级的氢氧发动机和8台120吨级的液氧煤油发动机，这些发动机能够为火箭提供超过1000吨的起飞推力。要将问天实验舱准时送到指定的轨道位置上，首先需要为它设计一条飞行弹道。
航天科技集团一院总体部火箭弹道设计组组长 刘银：火箭弹道设计，就是说我把火箭用一种最优路径，能把有效载荷能送入到它所预想的那条轨道上去，来满足它的整个空间轨道要求。
给长五B火箭设计的这条弹道，是一条最理想的飞行路线，燃料消耗最少，入轨精度最高。然而，想要完美实现这条“理想”弹道，却存在大量难题。
首先，交会对接任务就像移动打靶，太空里的轨道位置已经确定，但是地球在不停地自转，火箭的位置也在不停地发生变化。经过严密计算，只有在某一时刻发射升空，火箭才能按照这条“最优路径”飞行，实现高精度的“移动打靶”。这就意味着发射前的准备流程就必须得分毫不差。对于长征五号B这款可以说是系统最为复杂的火箭来说，难度可想而知。
航天科技集团一院长征五号运载火箭副总设计师 黄兵：因为它的低温推进剂的使用比较大，氢氧（推进剂）的规模比较大，那么这种深低温推进剂的使用往往是我们系统里面最担心的一个事情，也是引发故障概率比较大的一个地方。
让黄兵最担心的，就是火箭所使用的低温推进剂。长征五号B使用的推进剂，主要是由零下253度的液氢和零下183度的液氧组成。尽管海南文昌发射场天气炎热，但在以往的发射任务中，在发射塔架和火箭之间的管路和链接器上，会出现一层厚达2到3厘米的冰将它们牢牢冻住。按照发射流程，这些管路和连接器只能在火箭点火前几分钟时才可以脱落。万一被冻得太死，那就意味着连接器无法准时脱落，“零窗口”发射就无法实现。
航天科技集团一院长征五号系列火箭控制系统设计师 王聪：上一发（长五B）遥二的时候，我们的送氢的管子它冻住了，不脱落，瞬间没有脱落，我们就再发脱的指令，再尝试脱落，于是它又脱下来了，这个时候其实它都有时间的损失了。
为了彻底解决这个问题，研制团队通过对多种方案、上百次试验验证，通过改变破冰方式，减小了连接器的解脱阻力，大大提升了低温连接器脱落可靠性。然而，即便是射前工作全部准备到位，火箭能够准时点火发射，但是想要精确入轨，却也依然困难重重。
航天科技集团一院总体部火箭弹道设计组副组长 张志国：火箭发射卫星如果入轨的话，首先要达到第一宇宙速度，要到7公里（每秒）以上的一个速度的量级。如果这么高的速度的情况下，可能你的任何一个微小的偏差都会造成你的位置很大的一个偏差。
推力大 入轨难 高精度入轨难题如何解？
在航天发射中，任何一个小的干扰，都会带来巨大影响，地面差之毫厘，太空失之千里。长征五号B作为我国运载能力最强的火箭，采用了我国自主研制的大推力氢氧发动机。然而，正是因为发动机的推力大，给长五B的高精度入轨带来了新的难题。推力大入轨难，高精度入轨难题如何解呢？
航天科技集团一院长征五号运载火箭副总设计师 黄兵：这么大推力的一个发动机，完成关机点火，还要把它准确放到你想要的那个位置上，而且你稍微偏一点可能就对后面的交会对接就形成很大的一个压力，那么实际上怎么来控制？这是一个非常大的难点。
长五B火箭在与问天实验舱分离前，需要不断调整自己的姿态，来保证实验舱能够准确朝着目标轨道飞行。正是由于发动机推力太大，让火箭的姿态控制变得更为困难。
航天科技集团一院长征五号B火箭姿控系统副主任设计师 张宇：比如说像其他的火箭，我们末级会有那种小的姿控喷管，它的推力很小，用推力很小的东西来控制姿态，精度就会很高。你用一个很大的东西来控制它的时候，这个可以想象精度就没有那么高，难度就出来了。
要解决这个问题，就必须精准掌握发动机的状态。为此，研制团队进行了大量的地面试验和仿真验证，并对此前的历史发射数据进行比对分析，最终得出了发动机姿态控制的最佳方案。
航天科技集团一院长征五号B火箭姿控系统副主任设计师 张宇：发动机关机到空间站（实验舱）的分离，我们还有5秒多的时间，我们实时测得它的姿态，对参数进行了一个特别细微的调整，来进行最后的偏差控制，提高分离时候的姿态精度。
解决了姿态控制问题，并不代表着万事大吉。火箭与实验舱何时分离，也是另一个棘手的问题。火箭在最后阶段的飞行速度大约是每秒7.8公里，这也就意味着，晚一秒分离，实验舱就将多飞出7.8公里，精确入轨的目标就将化为泡影。因此，分离的时机就必须把握在毫秒之间。
航天科技集团一院长征五号系列火箭控制系统设计师 王聪：每一秒它就会走7800米，每一毫秒就七八米。你要入轨，它是对速度位置是有一个严格的要求的。发出这个关机的指令要准确，本来20毫秒控制一次，在那就变成一毫秒控制一次。
科研人员为火箭设计的控制系统，在最后关头，能够自主检测箭体每一毫秒的速度和位置变化，在最佳时机的千分之一秒内发出关机指令，从而使火箭与问天实验舱完美分离。
航天科技集团一院长征五号运载火箭副总设计师 黄兵：实际上在我们的长五B遥一的发射上都已经得到了验证，对整个的分离过程和入轨的一个精度都是满足我们的要求。
7月20日，长征五号B遥三运载火箭迎来了它发射前的最后一次模拟发射演练，密集的口令在测控大厅里此起彼伏。
航天科技集团一院长征五号B火箭副主任设计师 刘秉：整个过程大概有400个左右的口令，火箭准备状态良好，通过今天最后一次全系统合练，检验了火箭在发射区的待发状态，都是满足任务要求的。
“零窗口”发射背后
就在昨天（7月22日），问天实验舱完成发射前全区合练。目前，各系统已经做好了发射前的准备工作。不断突破，勇于创新。在长征五号B运载火箭的研制过程中，中国航天人还突破了大直径舱箭分离、大推力直接入轨等一系列新技术，使得长征五号B火箭的入轨精度达到米级，从而保证问天实验舱能够准时准点抵达目标轨道，与空间站核心舱顺利完成交会对接。
