7月24日14時22分，由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院（簡稱“火箭院”）抓總研製的長征五號B遙三運載火箭（以下簡稱“長五B火箭”）衝上雲霄，成功將我國空間站建造階段首個實驗艙，也是我國迄今為止發射的最過載荷——問天實驗艙發射至預定軌道。我國空間站建造關鍵之戰取得圓滿成功。
據此前中國載人航天工程辦公室訊息，今年將實施6次飛行任務，完成我國空間站在軌建造。其中，長五B火箭在7月發射問天實驗艙與天和核心艙對接，10月發射夢天實驗艙與天和核心艙對接。之後三艙形成“T”字基本構型，完成中國空間站在軌建造。此次任務是今年完成空間站在軌建造承上啟下的關鍵之戰，意義重大。
長征五號B遙三運載火箭。中國運載火箭技術研究院供圖
長五B火箭首次執行零視窗發射任務
作為我國目前近地軌道運載能力最大的新一代運載火箭，長五B火箭擁有長達20.5米的國內最大整流罩，近地軌道運載能力達到25噸級。問天實驗艙是我國迄今為止重量最大的載荷，重量約為23.2噸。
火箭院長五B火箭總體副主任設計師劉秉介紹，“問天實驗艙需要與空間站天和核心艙進行快速交會對接，因此，必須在規定時間分秒不差地發射，否則將無法到達指定位置，需要耗費巨大代價調整軌道；甚至導致發射終止，那就需要等待下一個發射視窗重新組織發射，嚴重影響任務週期。”
由於問天實驗艙和天和核心艙要透過交會對接，在軌進行組裝，所以要求火箭“零視窗”發射。而長五B火箭是低溫火箭，面臨著低溫推進劑加註問題和複雜的發射射前流程，實施零視窗發射相比常溫火箭難度大得多。
各系統只能按時序完成射前指令，把時間消耗在等待上一流程上。“就像面對逐題試卷限時競答，一旦卡在前面簡單的問題上，後面的題目分數很高卻又不能做，顯得束手束腳。”火箭院長五B火箭副總設計師婁路亮這樣比喻。為了和時間賽跑，設計團隊開展了適應“零視窗”發射要求的射前流程最佳化改進。
本次任務中，長五B火箭實施零視窗發射，這也是長五系列火箭首次執行零視窗發射任務。為保證準時發射，型號隊伍對射前負10分鐘的發射流程進行了最佳化，將部分流程前置。其實，距離發射2.5分鐘時，火箭就已完成發射前各項準備工作，具備了點火發射能力，隨時可發射。雖然只有短短的2.5分鐘，但對型號隊伍來說卻意味著寶貴的時間和機會，發射前萬一發生突發情況，型號隊伍可在這2.5分鐘內迅速作出決策、進行處置。
準時點火只是開始，精準入軌才是成功。劉秉介紹，長五B火箭還應用了起飛時間偏差修正技術，最大修正時間為2.5分鐘。“通俗理解，火箭最遲可推延2.5分鐘發射，在0到2.5分鐘這個時間段內的任一時間點發射，火箭都可以在飛行過程中自動修正因推遲發射導致的飛行偏差，將實驗艙精準送入預定軌道。”
長五B火箭首次執行快速交會對接任務
此次長五B火箭首次執行快速交會對接任務，要求火箭以更高的發射和飛行可靠性實現準點發射、準確入軌，將問天艙準確送入與核心艙共面、共軌的轉移軌道。
據介紹，就像火車到站，以前乘客需要“追火車”才能找到自己的車廂，現在的高鐵都是精準對標到地標。從“追火車”到“乘高鐵”，入軌精度偏差縮小為空間站艙段交會對接提供了更好的保障，但是也對火箭的動力、結構和控制系統偏差控制水平提出了新的和更高的要求。
點火後，火箭依靠更先進的制導技術不斷調整彈道，直奔空間站。“就好比投出去的籃球能按照籃筐位置、球場風速、氣流和溫度等的變化，不斷修正自己的前進軌跡，直奔籃筐而去。”火箭院火箭科普專家錢航說，“這有點像汽車的自動駕駛技術，只是長五B這輛‘汽車’，重達數百噸、時速不可估量，要做到‘自動駕駛’可不容易。”長五B火箭創新運用姿態控制增益最佳化和複合制導方法，從而提高了火箭姿態控制精度。
問天實驗艙採用快速交會對接的方式與空間站天和核心艙對接形成組合體，整個過程大約6.5小時，需要艙段消耗燃料來變軌滿足對接要求，會造成運載能力的損失。為了能搭載更多的推進劑、生活物資等維持空間站在軌運營，長五B團隊對火箭的運載能力進一步評估、折算，扔掉箭體中的“累贅”，為火箭釋放了更大的運載能力。“如果把發射火箭比作遊客出行，那麼以前就是出遠門，需要攜帶大包小裹來衣食住行，而現在更像是臨時出差，輕輕鬆鬆帶上必備物品就可以出發了。”劉秉說。
此外，記者還了解到，安全、精準地將問天實驗艙送到目的地是型號隊伍的首要任務。為不斷提高火箭可靠性，型號隊伍在生產工藝等方面進行了30餘項改進。
劉秉表示，長五B火箭和長五火箭共用的發射場地面裝置2013年投入使用，部分裝置已達到使用壽命。對此，型號隊伍對發射場地面裝置進行了測試、維修、更換，確保安全可靠，保障發射任務順利進行。
隨著發射次數增多，型號隊伍對火箭技術狀態的認識也更加全面。目前，長五B火箭在發射場的發射準備時間約為60天，本次任務進一步優化了測試流程，在火箭模組轉運、狀態恢復、吊裝前準備等環節，將序列工作模式改為並行。現在，53天就可完成發射準備工作，比以往縮短了7天，為後續進一步提高火箭發射效率，應對未來高密度常態化發射奠定了基礎。
長五B火箭如何穿越火線？
中國空間站由一個核心艙和兩個實驗艙組成，這3個艙段的發射任務都由長五B火箭執行。據瞭解，長五B火箭中“深低溫”液氧液氫燃料佔火箭體重的90%以上，堪稱火箭家族中的“冰墩墩”。大暑時節、又在低緯高溫之地發射，“冰墩墩”長五B火箭如何穿越層層火線？
“冰墩墩”長五B火箭身體裡的液氧溫度達到負183攝氏度，液氫溫度可達負253攝氏度，已經接近負273.15攝氏度的絕對零度。人在炎炎烈日下暴曬，會揮汗如雨，長五B火箭更是如此。海南文昌發射場氣候潮溼，在最熱時刻發射，低溫推進劑加註後，箭體表面的溫度低，就會出現結露現象，箭體表面的冷凝水順著箭體流下，這對箭體結構的防水提出了較大挑戰。
為此，周身冰冷的它在完成加註後要防止貯箱內部溫度過高，因此採用隔熱材料和工藝，在外層均設定了絕熱層，就像披上了一身“隔熱汗衫”，保持箭體內外溫差較大的情況下維持低溫環境。不但能夠有效減小貯箱內部溫度升高，同時可以有效緩解箭體外部冷凝水的產生。
火箭院結構系統指揮王乾解釋了“隔熱汗衫”的工作原理：“一方面，團隊透過在整流罩內部設計排水罩和倒水孔，將艙內可能產生的水往外疏導；另一方面，在箭體的關鍵裝置、電纜均採取防水措施，同時箭體部段間的對接面同樣利用塗膠等手段進行封堵，防止外部水汽進入箭體內部。”
在執行發射任務前，約20層樓高、幾百噸重的“冰墩墩”長五B要從總裝廠房被轉移到發射塔架，整個過程需要兩三個小時才能完成。為了避免“冰墩墩”被“熱化了”，設計人員為這個“巨無霸”設定了全程冷鏈運輸。
所謂全程冷鏈運輸，也就是在星罩組合體轉運和火箭轉運至發射區過程中，均有空調向罩內輸送常溫乾燥空氣，保障問天實驗艙的舒適度。其中，星罩組合體轉運主要使用的是轉運車搭載的吹風裝置，火箭轉運發射區過程中主要使用活動發射平臺上的空調。等火箭到達發射區後，整流罩部分透過空調口進行空調送風，各殼段透過艙口進行空調送風。
“大暑迎發射，又是在中午，如果不能保障全程冷鏈運輸，金屬一旦熱脹冷縮就會影響煤油貯箱的容量。”火箭院長五B火箭副總設計師婁路亮說。
據介紹，團隊特意為問天實驗艙定製了Plus版空調房，也就是始終保持常溫乾燥空調送風的超大整流罩。“我們根據問天艙外形包絡情況，重點開展了罩內許用空間安全分析，”王乾說，“同時，為保證問天艙的對接安裝，我們也在整流罩、載荷支架、儀器艙的多餘物清潔方面做了很多工作。確保在火箭飛行和分離動作過程中，不產生多餘物。”
長五B火箭的整流罩上共設定了兩路送風介面，送風空調能夠滿足超大空間送風要求，從而保障問天艙始終處於舒適的環境。整流罩的頭錐部段選用了馮卡門錐曲線，頭錐高度達到5米以上，能夠大大降低火箭在大氣飛行中的氣動加熱，保障整流罩內外溫差較小。此外，設計人員在整流罩外側粘接具備優良的隔熱效果的軟木，能有效減小因氣動加熱引起的罩內溫度升高，避免問天艙在穿越大氣層時遭受炙烤。
新京報記者 張建林
編輯 劉茜賢 校對 趙琳