“長征二號F”遙十八運載火箭

本年度，中國載人航天工程計劃實施4次發射任務，包括2次貨運發射和2次載人發射，目前已完成1次貨運發射和1次載人發射，即將迎來第2次載人發射。預計在10月底，“神舟十九號”將發射前往中國空間站，承擔運載工作的則是“長征二號F”，這是用極高標準打造的一款專業載人火箭，是我國現役運載火箭當中獨特的存在。

最復雜的巨型工程系統——載人火箭

“長征二號F”是中國載人航天工程專為載人發射任務而研制的運載火箭，于1992年底啟動研制，并由中國航天科技集團一院承擔具體研制工作。1999年11月20日，“長征二號F”（遙一）火箭搭載“神舟一號”無人試驗飛船成功首飛。

“長征二號F”遙十八運載火箭

“長征二號F”為中型常溫液體運載火箭，采用兩級半構型串并聯結構，芯一級與芯二級串聯，四枚助推器和芯一級集束捆綁，主發動機全部采用四氧化二氮/偏二甲肼推進劑。目前該箭在用的為改進型“長征二號F/G”，包括“長征二號F/G”Y和“長征二號F/G”T兩個構型，用于載人飛船發射的是“長征二號F/G”Y。“長征二號F/G”Y長58.34米，芯級直徑3.35米，助推器直徑2.25米，整流罩最大直徑3.8米，起飛質量約497噸，近地點200千米、遠地點350千米、傾角42度的近地軌道（LEO）運力為8.8噸。

“長征二號F”遙十八運載火箭

不同于用于非載人任務的運載火箭，外觀上“長征二號F”火箭頂部多了一個“尖塔”，那是用于載人飛船逃逸飛行的逃逸塔。相較于非載人任務火箭，“長二F”擁有更復雜的系統構成。“長二F”火箭系統由多達十個分系統構成，包括箭體結構、動力、控制、推進劑利用、故障檢測處理、逃逸救生、遙測、外測安全、地面設備和附加等系統，其中故障檢測處理、逃逸救生是該載人火箭系統所特有的，目的在于出現緊急情況時航天員可以安全返回。

運載火箭是迄今人類歷史上最復雜的巨型工程系統，普通火箭由超過十萬個零部件構成。載人火箭則是系統最復雜的運載火箭，零部件達到幾十萬個。對于工程系統而言，整個系統是一個統一的整體，構成越簡單越能確保可靠性，構成越復雜對于分系統、部組件、零件的質量要求就更高，載人火箭的難度在于擁有更復雜的系統卻要達到更高的指標要求。研制之初，“長二F”被設定了0.97的可靠性和0.997的安全性指標，這是20世紀末中國運載火箭研制的最高標準。

“高級配置”確保火箭發射極可靠

作為飛上天的巨型系統，可靠性是運載火箭最關鍵的指標之一。普通運載火箭的可靠性設計指標達到0.90即可，載人火箭則需要達到0.97及以上，怎么實現高可靠性要求？

“長征二號F”火箭的設計方案、系統設計和產品設計采用“一度故障工作,二度故障安全”的設計思想。為了提高可靠性，“長征二號F”火箭多措并舉，廣泛采用了冗余設計和裕度設計、提高了元器件等級和篩選標準等措施。

“長征二號F”遙十八運載火箭

雙冗余乃至三冗余的“高級配置”。由于受到系統復雜程度和元器件質量水平的限制,必須進行冗余設計才能實現火箭整體的可靠性設計指標。對可靠性影響比較大的且可以實現冗余的產品進行冗余設計。

以（“長二F”基本型）控制系統為例，控制系統箭上部分由制導系統、姿態控制系統、時序控制系統、電源配電系統和飛行控制軟件組成。制導系統采用平臺(捷聯)-計算機方案，以平臺為主，捷聯慣組為備份。箭載計算機上實現了部件冗余，增加了冗余管理，采用CPU、A/D 和D/A 三冗余。姿態控制系統采用姿態角-姿態角速率-數字網絡-搖擺發動機方案，相敏檢波濾波裝置、箭載計算機A/D變換采用三冗余，按2/1表決進行工作；箭載計算機 D/A、綜合放大器與伺服機構伺服閥前置級、反饋電位計均采用三冗余。廣泛的雙冗余乃至三冗余配置讓飛控系統在應對故障時游刃有余。

“良中選優”篩選元器件。元器件的質量建立在基礎工業水平之上，同時，可以通過良中選優來為載人火箭選擇質量更優的元器件。老一代的“長征”火箭芯級和助推器的對應級段總體而言大同小異，存在大量通用的元器件，可在這些出廠的合格品中選擇質量更優的部分供應載人火箭，構成“長二F”火箭高可靠性的基礎。

目前，“長征二號F”（遙十八）火箭的可靠性評估值已提升至0.9903，即每實施100次發射只可能出現不到1次的故障，在現役運載火箭當中處于極高的水平。

極致安全實現載人發射萬無一失

“載人航天，人命關天”，航天員安全是發展載人航天的重中之重，這就使得載人火箭必須具備很高的安全性。為此，“長征二號F”安全性指標達到0.997，即面對運載火箭故障采取的安全措施中，每1000次只允許出現3次不成功，這是怎么做到的？

“長征二號F”遙十八運載火箭

“長征二號F”高安全性主要依靠逃逸系統實現的。逃逸系統的任務是當運載火箭拋整流罩前發生重大危險,威脅到航天員的生命安全時,負責使航天員脫離危險區,并為航天員的返回著陸提供必要的條件。逃逸系統位于火箭整流罩上半部分至火箭頂部的區域，由逃逸塔、上部整流罩、柵格翼及其釋放裝置、上支撐機構、下支撐機構和滅火裝置組成。逃逸系統的動力裝置由逃逸主發動機、分離發動機、偏航俯仰發動機、高空逃逸發動機和高空分離發動機組成。

在逃逸系統的工作范圍(起飛至整流罩分離)內,逃逸模式分為兩種,即有塔逃逸模式(模式I)和無塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式I適用于火箭飛行－900~120秒（點火前15分鐘-逃逸塔分離）,對應高度是0~39千米，模式Ⅱ適用于火箭飛行120~212.5 秒（逃逸塔分離-整流罩分離），對應高度是39~約115千米。在模式I中,60秒之前不要求火箭發動機關機，60秒之后需要火箭發動機關機。

在逃逸系統之外，運載火箭還擁有船箭應急分離程序。針對運載火箭拋整流罩之后的航天員安全保障，在212.5~585.1秒階段，對應高度大于115千米，如遇緊急情況，將實施船箭應急分離，飛船采用彈道式返回。

“長征二號F”遙十八運載火箭

針對航天員的安全，運載火箭設計了分階段、全覆蓋的逃逸程序，確保航天員全過程安全。目前，“長二F”（遙十八）火箭安全性評估值達到0.99996，即在火箭發射失敗的情況下，逃逸系統每工作10000次可能失敗的次數不到1次，這是名副其實的“萬無一失”。

首飛至今，“長征二號F”運載火箭已經實施了23次發射任務，包括18次“神舟”系列飛船發射，2次“天宮”空間實驗室發射，3次可重復使用試驗航天器發射，全部取得成功，用實際表現印證了其高可靠性。10月底，“長二F”火箭又將瞄準太空執行“神舟十九號”載人飛船發射任務，這將是“長二F”為中國載人航天工程執行的第21次發射任務。

作者：木蘭星舟