首次執行交會對接長五B面臨哪些挑戰

7月24日，由中國運載火箭技術研究院（中國航天科技集團有限公司所屬，以下簡稱“火箭院”）抓總研制的長征五號B遙三運載火箭（以下簡稱“長五B”）搭載空間站問天實驗艙，在海南文昌航天發射場升空。這是我國大型低溫氫氧火箭首次執行交會對接任務，難度好比在太空“穿針引線”。為此，長五B從優化射前流程、拓展發射窗口、釋放運載能力三方面改進提升性能，全力保障任務圓滿成功。

從“串聯”到“并聯”

問天實驗艙和天和核心艙需要通過交會對接在軌組裝，因此，對火箭提出了“零窗口”的發射要求。而長五B是低溫火箭，面臨著低溫推進劑加注問題和復雜的射前流程，實施“零窗口”發射難度相比常溫火箭要大得多。

原來，各系統只能按時序完成射前指令，把時間消耗在等待上一個流程。“就像面對逐題試卷限時競答，一旦卡在前面簡單的問題上，后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“零窗口”發射要求的射前流程優化改進。“我們將各系統耦合性高的工作由‘串聯’變為‘并聯’，為火箭發射前預留了2.5分鐘的故障處理時間，一旦在點火前暴露一些問題，可以有充足的時間來反應。”火箭院長五B火箭總體副主任設計師劉秉說。

從“追火車”到“乘高鐵”

首次執行快速交會對接任務，要求長五B以更高的可靠性來實現準點發射、精確入軌，并將問天實驗艙準確地送入與核心艙共面、共軌的轉移軌道。在劉秉看來，這就像火車到站，“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保障，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更高的要求。

航天發射是火箭、發射場、地面等系統協同的結果。為確保大型低溫火箭能夠可靠發射，設計團隊將原來的零發射窗口拓展至2.5分鐘。據火箭院長五B火箭軌道設計師王建明介紹，窄窗口點火可以提升火箭的點火可靠性，但由于地球不斷自轉，“為克服地球自轉帶來的影響，需要火箭具備起飛時刻的偏差修正能力”。

為此，設計團隊對長五B創新性地運用姿態控制增益優化和復合制導方法，大大提高了火箭的姿態控制精度。點火后，火箭依靠先進的制導技術不斷調整彈道，直奔空間站。

從“大包小裹”到“輕松上陣”

運載火箭的能力有多大，航天的舞臺就有多大。

作為目前我國近地軌道運載能力最大的火箭，長五B的近地軌道運載能力超過23噸，此次托舉問天實驗艙演繹浪漫的“太空之吻”。

問天實驗艙采用快速交會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。

為了搭載更多的推進劑、生活物資等維持空間站在軌運營，設計團隊對長五B進一步評估、折算，扔掉箭體中的“累贅”。“如果把發射火箭比作游客出行，那么以前就是出遠門，需要攜帶大包小裹保障衣食住行；現在則更像是臨時出差，輕輕松松帶上必備物品就可以出發了。”劉秉打了個比方。

從“串聯”到“并聯”、從“追火車”到“乘高鐵”、從“大包小裹”到“輕松上陣”，長五B火箭對標發射可靠性要求高、入軌精度要求高、運載能力要求高這三大任務特點，將為中國航天定格唯美的“問天之吻”。