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航天员曾“难以承受的”26秒 是如何被攻克的?

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10月16日,中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院(简称“火箭院”)抓总研制的长征二号F遥十三运载火箭(简称“长二F遥十三火箭”)成功发射神舟十三号飞船,中国空间站迎来新出差三人组。三名航天员在升空时神态比较放松。


图源:人民视觉

这样轻松的画面不禁让人想起中国首位航天员杨利伟曾经历的“难以承受的”26秒。在《太空一日》一文中,杨利伟回忆称:“痛苦的感觉越来越强烈,五脏六腑似乎都要碎了。我几乎难以承受,觉得自己快不行了。”

让杨利伟“难以承受”的源头是共振,这曾是一个世界级的航天发射难题,不仅我国研制的火箭有这个问题,国外的火箭也有。早在20世纪60年代,美国大力神火箭在发射过程中,就曾经出现过持续30秒的振动。法国的火箭也曾经出现过类似的问题,卫星寿命受到了影响。

如何让中国航天员不再承受这样的痛苦和消除火箭飞行失败的隐患,火箭院人决心要解决这一世界级难题。

要解决问题,就要先知道问题根源是什么。火箭院所属北京强度环境研究所试验人员经过测算、分析后认为,“病根”可能出在氧化剂上。当氧化剂中燃料的振动频率和火箭结构的振动频率接近的时候,很可能会发生结构与液体耦合的发散振动。

在理论分析后,该所试验人员随之进行全箭模态试验和氧化剂管路液体特性试验。试验时,试验人员先向一个燃料管里注入燃料,然后给燃料管加载不同频率的振动,观察燃料的振动频率。如果试验室数据与全箭模态试验数据相吻合,就能证明试验人员的推断是正确的。


图源:视觉中国

经过半年多的调查、分析、计算等,试验人员最终得出结论:问题就出在火箭产生了POGO振动。这一结论印证了他们之前的推测。

在找到问题根源之后,火箭院研制团队进行了改进,原本长征二号F遥五运载火箭的助推器蓄压器上装有两个膜盒,到了长征二号F遥六运载火箭时,膜盒减少至一个。这种改进成效明显:长征二号F遥六运载火箭发射“神舟六号”飞船时,振动量级和振动时间都减小了,航天员的反映是振动轻多了。

“轻多了”意味着研究方向是对的,可问题并未完全解决。研制团队继续优化设计,将助推器蓄压器改成了“变能量蓄压器”,在不同飞行时段采用不同PV值的蓄压器,该装置能够吸收燃料振动时产生的能量,改变燃料的振动频率,火箭就不再产生POGO振动。

长征二号F遥七运载火箭发射 “神舟七号”后,航天员聂海胜的反馈是:“我们乘坐的火箭非常舒适,几乎感觉不到振动。” 短短的一句话意味着火箭院已经攻克了共振的难题。


图源:人民视觉

载人航天,人命关天。航天员在飞向太空时的生命安全与火箭密切相关,这背后是火箭院人对火箭的高要求、高标准。面对难题、挑战,火箭院人不断突破自我,交出了一份份令人满意的答卷。

作者:王莹

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