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◎ 姜哲 科技日报记者 付毅飞
7月23日，由中国航天科技集团一院抓总研制的长征五号遥四运载火箭，成功将我国首个火星探测器送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。
从火箭起飞到探测器入轨，“胖五”的飞行过程约有2167秒。可别小看这半个来钟头，为了确保完成任务，“胖五”可是做了精心的准备。为了“奔火”它到底有多拼？下面这组数字告诉你。
拍摄：付毅飞
每秒11.2千米，飞出中国火箭最快速度
根据发射任务要求，“胖五”需要托举火星探测器加速到每秒11.2千米以上的速度，将探测器直接送入地火转移轨道，开启奔向火星的旅程。
这一速度被称为第二宇宙速度，也被称为“逃逸速度”。航天器只有达到该速度，才能完全摆脱地球引力，飞向太阳系内的其他行星。
此前在发射月球探测器时，长征三号乙运载火箭曾经飞出每秒10千米以上的速度。此次“胖五”发射天问一号探测器，在国内首次达到并超过第二宇宙速度，飞出了中国运载火箭的最快速度。
张高翔 摄
共设计42条发射轨道
对于普通发射任务，1个发射窗口只需要设计1条火箭发射轨道。此次任务则不同。
如果把发射比作打靶，发射天问一号探测器就是在打移动靶，因为地球和火星的相对位置在不断变化，只有不断调整发射轨道，才能让探测器入轨更精确，在奔火过程中节约燃料。
为此，一院研制团队对“胖五”的轨道进行了精细化的“窄窗口多轨道”设计。
据测算，本次发射任务有连续14天的窗口期，每天的发射窗口宽度为30分钟。研制人员将30分钟的发射窗口细分成3个宽度为10分钟的发射窗口，分别设计发射轨道，将轨道偏差控制在极小范围内。任务中，通过软件还可以实现发射轨道的自动切换选择。
一次发射设计如此多的发射轨道，这在中国航天史上绝无仅有。
张高翔 摄
2000多秒经历多个重要飞行时序
在“胖五”飞行的2000多秒里，需要经历多个重要飞行时序。
“胖五”捆绑了4个助推器，主要用于在起飞阶段及一级飞行前期提供推力。起飞后约3分钟，助推器与火箭分离。
飞行约6分钟后，整流罩分离。整流罩主要用于保护探测器免受火箭上升过程中的气动力、气动加热及声振等有害环境影响。整流罩分离时，火箭已经基本飞出大气层，进入太空。
飞行约8分钟后，火箭一二级分离，二级发动机第一次点火，继续加速。二级发动机第一次加速过程大约持续3.5分钟，之后二级发动机第一次关机，进入大约16分钟的滑行阶段。长时间滑行技术，已经在长征五号遥三火箭发射中进行了验证。
此后，火箭二级发动机第二次点火，完成最后的“冲刺”，持续时间约为7.5分钟。二级发动机第二次关机后，“胖五”还需要完成速度修正、姿态调整等过程，最终将探测器送入地火转移轨道。
数字太多，不细说了……
一院研制团队在产品制造、产品验收、火箭总装及测试等全过程中采取了20大项质量控制措施，包括关键项目、关键工序工艺质量控制，产品可靠性评估，发射场工作流程精细化再造，产品试验充分性分析等，以确保火箭产品过程受控、质量可靠。
张高翔 摄
“胖五”是我国第一型开展全要素、全过程、全生命周期工作策划的运载火箭，风险管控工作贯穿于型号研制全生命周期的各个阶段和环节。。此次任务从设计风险、产品风险、操作风险和管理风险四个方面，全面识别风险源，梳理并分析火箭可能存在的风险项目，并从设计、分析、试验、管理上采取了22项措施，将风险降至最低。
在长征五号遥三火箭及长征五号B遥一火箭基础上，此次“胖五”共采取35项技术改进和可靠性提升更改项目，涉及箭上控制系统、测量系统、箭体结构、增压输送系统、动力系统以及地面发射支持系统等。
研制团队采用故障模式及影响分析（FMEA）方法，对“胖五”单点失效故障模式及环节进行了梳理，共确定千余项单点失效故障模式及环节。他们对于每一项单点失效故障模式，在完成分析的基础上，从产品设计裕度、设计特性、状态变化、试验充分性、测试覆盖性、环境适应性6个要素分别开展了检查确认。
“胖五”研制过程中，研制团队将设计特性分析与控制确认作为产品质量稳定性和一致性的重要判据，在产品验收环节进行了重点检查。经过检查，全箭共识别设计特性3万余项，并通过实测数据、验收复测、直接旁证等6种控制措施全部进行了控制确认，有效管控了火箭产品质量。
焊缝质量直接影响到相关产品功能、性能的实现。特别是火箭箭体结构、增压输送管路以及各级发动机上的关键焊缝，更是能够直接影响发射任务的成败。作为目前我国规模最大、系统构成最复杂的运载火箭，“胖五”身上共有各类焊缝5万多条，其中绝大多数是I级焊缝。研制团队通过X光透照、液压气密试验、焊缝氦质谱检测等多种手段，对焊缝质量进行了100%覆盖检查确认。其中发动机产品的焊缝还经过了校准试车试验的考核。
现在，你知道“胖五”有多拼了吗？
延伸阅读
火箭“微课堂”
钱航 科技日报记者 付毅飞
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为什么发射“天问一号”非“胖五”莫属
简单来讲，就是火星很远，探测器很重，只有“胖五”才能把它送过去。
发射深空探测器，需要运载火箭提供足够的发射能量，使探测器获得足够大的初始速度。在分离速度确定的条件下，重量越大的探测器，所需要的发射能量也越大。
我国发射的“天问一号”探测器由环绕器（也叫轨道器）、着陆器和巡视器（又叫火星车）组成，重量达到5吨左右，需要由运载火箭先送入地火转移轨道，才能“飞奔”至火星。
在“胖五”问世之前，当时发射深空探测器能力最强的长征三号乙火箭，可以将2吨左右的探测器送入地火转移轨道，而“胖五”的地火转移轨道发射能力超过5吨。因此，发射“天问一号”这样的火星探测器，只有“胖五”能够胜任。
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“胖五”发射后的残骸如何回收？
运载火箭将卫星或飞船发射送入太空，是一个自我牺牲的过程：“肢体”完成加速使命，一节节地分离之后，有的进入更遥远的太空，有的坠入大海，有的坠落地面。火箭飞行过程中掉下来的部分称之为残骸。
实际上，火箭残骸包括很多种类。
部分残骸是在火箭发射后几乎马上就会重新返回地面，甚至在火箭刚开始呼啸震动时就开始“掉渣”“掉残骸”。这通常是保温泡沫或结的冰。
大部分火箭的二级或三级往往会飞得更高，它们实际上已经进入了太空。如果星箭分离时处于低地球轨道，那么靠近大气边缘的气体足以造成阻力，拖拽着火箭二级不断减速、降低轨道高度，会在一段时间以后再入大气层。不过大家不用担心这部分火箭造成的威胁，它们进入大气层时速度很大，会与大气层空气剧烈摩擦而焚烧殆尽，宛如流星在天空中划出一道美丽的弧线。
我们常说的残骸都是指火箭的大残骸，以我国载人航天所使用的“神箭”长征二号F运载火箭为例，在发射后三分钟内，火箭的逃逸塔、助推器、一级火箭、整流罩等重要组成部分会相继程序分离，由于上升的高度不高，很快就坠落回地面了。我国三大传统发射场——酒泉、太原、西昌都位于内陆，每次发射后都需要回收这一批残骸。
火箭发射前一周，负责残骸回收的工作组就会奔赴“落区”。火箭的落区是经过轨道设计的，会避开城市、景区等人员密集地区和各种重点建筑、设施，大多选择在地广人稀的偏远山区或大漠戈壁。
火箭升空前一小时，落区上空会响起防空警报，工作组将所有人全部疏散到空旷、开阔的场地，确保人员生命安全。火箭发射升空后，会做好对空观察，及时避让火箭残骸。
火箭残骸划过天空，落入提前计算出来的预定区域。工作组会利用声音、定位系统、地形图等预判落点位置，并通过前方观察哨确认残骸具体落点，组织人员对残骸现场进行保护。残骸回收分队会第一时间赶赴残骸落点，组织技术人员将残骸上的火工品和剩余燃料进行清理，然后对残骸进行切割、分解、回收。
不过，“胖五”却有所不同。中国文昌航天发射场位于海南省，我国新一代的大型中型火箭（“胖五”、长征七号火箭）就在这里发射。每次发射的火箭残骸直接坠入公海，不会造成任何的威胁，所以也就不用回收了。 |
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发表于 2020-7-25 01:53:15
