长征二号F遥十八运载火箭,是中国研制长征二号F火箭执行神舟十八号载人飞行任务的运载火箭。
研制历程
历史背景
1992年,中国实施
载人航天工程,要求火箭能将重7.8吨的飞船送入距地面200千米的轨道。同时具有应急故障检测和救生功能,当运载火箭在发射段和上升段发生危及航天员生命的故障,如火箭爆炸、火箭飞行偏离预定轨道,故障检测装置能自动发出指令,使飞船与火箭脱离,逃逸装置能将飞船拽离火箭到达安全位置,返回地面脱离危险。另外,火箭还需具备高可靠性和高安全性,发射卫星的运载火箭可靠度达到0.90以上就可使用,而发射载人飞船用的运载火箭可靠性则要求达到0.97以上,这就要求关键系统或单机进行冗余设计、裕度设计等提高可靠性。
研发进程
长征二号F运载火箭是在继承“
长征二号E”火箭主要构型的基础上,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新型运载火箭。火箭的控制系统采用冗余技术,增加了故障检测、逃逸救生等功能。飞船通过飞船支架、船箭锁紧带与火箭第二级连接,采用分离弹簧和反推火箭、侧推火箭的分离方式保证火箭与飞船安全可靠分离。从1992年9月21日立项研制到1999年11月20日首飞成功,长征二号F火箭先后突破了
逃逸系统、控制系统、动力系统关键设备可靠性设计等多项关键技术,完成了大量可靠性增长试验及逃逸飞行器的研制试验。
2023年3月,据中国航天科技集团有限公司官网,长征二号F遥十八运载火箭通过评审,开始总装。
从空间站任务开始,为了确保航天员的安全,长征二号F火箭和神舟飞船都会采取“双发并行、一主一备”的模式,在神舟十七号发射的同时,
神舟十八号的飞船和火箭就已经准备就绪,在酒泉卫星发射中心待命了。
2024年4月17日,神舟十八号载人飞船与长征二号F遥十八运载火箭组合体已转运至发射区。
2024年4月24日下午,长征二号F遥十八运载火箭按计划完成推进剂加注,酒泉卫星发射中心载人航天发射场已经准备就绪。随着发射窗口临近,气象系统加密天气会商、加强危险天气监测,运用发射场自主研发的逐时气温预报系统和高空风分层预报系统,重点做好火箭加注逐时气温预报、发射窗口地面天气和高空风预报。
系统组成
总体设计
长征二号F运载火箭为运载火箭3.35米构型的一种,在载人航天工程任务中完成了发射货运飞船的任务,动力系统使用无毒无污染推进剂,火箭低轨道运载能力将达到13吨,电气系统和地面测发控系统采用一体化设计等,将进一步提升中国运载火箭技术水平。
长征二号F运载火箭为带助推的两级火箭,分为载人和无人两种状态。无人状态全箭总长约52米,起飞重量579吨,近地轨道最大运载能力为13吨。载人状态全箭总长约57米,起飞重量582吨,近地轨道最大运载能力为12.5吨。两种状态的芯级直径均为3.35米,采用4个2.25米直径的助推器。芯级和助推器均安装液氧煤油YF-100型发动机。
长征二号F运载火箭主要任务是研制用于发射载人飞船,长征-2F是中国国内可靠性、安全性最高的运载火箭。其控制系统采用冗余技术,具备故障检测、救生等功能。
长征二号F火箭由箭体结构、动力装置、控制、推进剂利用、故障检测处理、逃逸救生、遥测、外测安全、地面设备和附加系统共10个分系统组成。
箭体结构
长征二号F火箭箭体由逃逸塔、整流罩、高空分离发动机、高空逃逸发动机、栅格稳定翼、飞船、飞船支架、仪器舱、二级氧化剂箱、箱间段、二级燃烧剂箱、二级游动发动机、二级主发动机、级间段、一级氧化剂箱、一级燃烧剂箱、一级发动机、助推剂头锥、助推器氧化剂箱、助推剂燃烧剂箱、稳定尾翼、助推器发动机组成。
长征二号F火箭箭体结构的功能主要是承受火箭在运输、吊装和飞行过程中的各种外载荷及内力,以及连接火箭上各个分系统连成一个整体,起着支持各系统的作用。箱体是贮存液体火箭发动机推进剂的大型容器。控制系统、推进剂利用、遥测系统、外安系统、故检系统的仪器大部分装在二子级箭体前面的仪器舱圆盘上,只有少量仪器由于特殊要求才分别装于级间段和箱间段等部位。在箭体结构上,安装有控制、遥测、故障检测处理、外测安全、利用五大系统的仪器设备、传感器、变换器共593台(件),与之相连的电缆共232多根(束)。各系统仪器设备的安装主要集中位于整流罩、仪器舱、二级箱间段、一级箱间段四个部段内。
执行载人发射任务的长征二号F火箭,其头顶上有一个像避雷针一样的装置是火箭的
逃逸塔。逃逸塔由1台逃逸主发动机,1台分离发动机和4台俯仰偏航发动机组成,其作用是在火箭飞行的前120秒内,一旦火箭发生危及航天员生命的故障时,可以迅速将神舟飞船的
轨道舱和
返回舱带离故障火箭,将航天员带到安全地带。
逃逸主发动机,喷管相比其他的都比较大,推力也是这几个发动机中最大的。作用就是当火箭发生重大的故障,可能威胁到航天员安全的时候,它的工作就是把整个逃逸飞行器带离故障火箭,然后能够使逃逸飞行器打到安全的区域。
俯仰和偏航的发动机有不同的方向,作用就是当发生逃逸的时候,使整个逃逸飞行器偏离故障火箭的飞行的管道。
动力系统
长征二号F运载火箭的动力系统由两个芯级捆绑4个助推器组成。火箭第一芯级、第二芯级和助推器发动机的推进剂均为偏二甲肼和四氧化二氮。
一级发动机由4台代号为DaFY11-1的发动机通过机架并联而成。每台发动机的地面推力约为740.4千牛,均可沿箭体切线方向摇摆,最大摆角±10°。
二级发动机由主机DaFY21-2和游动发动机DaFY22-1通过机架组合而成。DaFY21-2是一台高空大喷管发动机,固定在机架中央,其真空推力约为746.97千牛。DaFY22-1游动发动机是小推力高空短喷管发动机,在主机关机后继续工作100多秒,将飞船送入预定轨道。
YF-100发动机是中国航天科技集团公司第六研究院研制的补燃循环发机,推进剂采用液氧煤油,单台地面推力1170千牛。发动机采用先进的补燃循环系统和自身启动方式,可以为氧化剂贮箱增压提供热氧气,为伺服机构提供高压煤油作为动力源。2000年,经国务院批准立项开始YF-100基本型发机的研制。单摆状态YF-100F发动机处于试样阶段。截至2008年5月,该系统发动机累计试车时间达到17700秒,并经过摇摆试车考核。YF-100发动机广泛用于未来新一代运载火箭动力系统。
设计参数
发射动态
点火升空
2024年4月25日20时59分,搭载神舟十八号载人飞船的长征二号F遥十八运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射。
成功分离
2024年4月25日,长征二号F遥十八运载火箭发射约10分钟后,神舟十八号载人飞船与火箭成功分离,进入预定轨道。航天员乘组状态良好,发射取得成功。
技术创新
高可靠性
长征二号F运载火箭是中国唯一在役的载人火箭,由
中国航天科技集团一院抓总研制。按照高可靠的任务要求,长二F火箭消除薄弱环节、优化技术状态,长征二号F遥十八火箭可靠性评估值已提升至0.9903,安全性评估值达0.99996。
长征二号F遥十八运载火箭还首次采用了质量确认形式。设计人员根据装配要求和技术指标形成检验表格,逐项确认装配状态,检查装配数据。装配操作质量更精准更可控。
合罩操作
长征二号F遥十八运载火箭在控制系统方面,采用了双冗余甚至三冗余的设计策略,即使在飞行过程中出现了单板级故障,仍能保障飞行安全。神十八发射首次使用了合罩操作平台——在扣罩厂房里,操作人员乘坐升降车上下移动,在纵向分离面上,自上而下连接解锁机构,使两个半罩合二为一。操作台由单层升级为4层,实现了并行操作。合罩时间由12个小时缩短为8个小时,合罩效率提升了30%。
多项改进
长征二号F遥十八运载火箭执行神舟十八号发射任务,是长征二号F火箭第13次执行载人发射任务,相比神舟十七号发射任务,长征二号F遥十八火箭进行了32项技术状态改进,涉及火箭产品和地面设备等多个方面。在发射流程方面,随着技术改进和流程优化,长征二号F运载火箭发射场流程,已由空间站建造初期的49天缩减到35天,并将继续向30天目标优化改进。
总体评价
长征二号F遥十八运载火箭执行的神舟十八号载人飞船发射任务,是中国载人航天工程进入空间站应用与发展阶段的第3次载人飞行任务,是工程立项实施以来的第32次发射任务,也是长征系列运载火箭的第518次飞行。(中国载人航天工程网 评)