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北理工为“长征五号”首飞“编织火焰尾翼”

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6月25日20时00分,我国载人航天工程为发射货运飞船而全新研制的长征七号运载火箭,在海南文昌航天发射场点火升空,约603秒后,载荷组合体与火箭成功分离,进入近地点200千米、远地点394千米的椭圆轨道,长征七号运载火箭首次发射圆满成功。

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试验时的双弧形导流槽出口

6月25日晚,我国新一代运载火箭长征七号在海南文昌航天发射场点火升空。 新华社记者李刚摄

近日,我国研制的起飞规模最大、技术跨度最大、运载能力最大的新一代大型运载火箭——“长征五号”在海南文昌航天发射场成功首飞。此次成功发射,标志着我国航天总体技术跻身世界一流行列。在此次火箭发射任务中,北理工科研团队及科技成果发挥了关键作用,宇航学院教授姜毅带领的发射气体动力学课题组圆满完成发射场导流槽研制保障任务,为长征五号新型运载火箭成功发射编织出绚丽的“火焰尾翼”。

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导流槽位于火箭发射塔最下端,是航天发射场最具技术含量的基础保障设施。火箭在发射时会喷出超高温高速的火焰,如果导排不畅,反射的燃气流会对发射设施和火箭尾部产生严重影响,导致发射失败。因此,必须在火箭底部两侧采取导流措施,将高温的燃气导至远离发射架的地方。作为中国最新和最先进的海南文昌航天发射场,在建设之初就定位于满足新一代大推力运载火箭的发射要求,发射场导流槽的设计也成为最重要的技术攻关。

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6月25日晚,我国新一代运载火箭长征七号在海南文昌航天发射场点火升空。 新华社记者李刚摄

文昌发射场总体设计单位经过多年对国内各著名研究所及高校研究机构的认真调研,鉴于姜毅曾参与完成我国酒泉、西昌等载人航天发射场导流槽研究和设计,不仅在相关理论分析等基础研究方面具有丰富的经验和技术优势,而且具备丰富的工程化经验与过硬的保障实力。值得一提的是,团队不拘泥于已有技术优势,始终保持锐意创新的进取精神,凭借首创的“向燃气流喷水”的关键技术理论突破,征服了总体设计单位。最终,北京理工大学成为新型航天发射场导流槽设计的唯一合作单位,姜毅团队被选为唯一合作者,参与了我国新一代运载火箭导流槽理论研究和试验验证项目关键技术攻关。

11月3日,我国研制的起飞规模最大、技术跨度最大、运载能力最大的新一代大型运载火箭——“长征五号”在海南文昌航天发射场成功首飞。此次成功发射,标志着我国航天总体技术跻身世界一流行列。在此次火箭发射任务中,北理工科研团队及科技成果发挥了关键作用,宇航学院姜毅教授带领的发射气体动力学课题组圆满完成发射场导流槽研制保障任务,为长征五号新型运载火箭成功发射编织出绚丽的“火焰尾翼”,为我国新一代航天发射场的建设做出了重要贡献。

据介绍,长征七号运载火箭为两级结构,捆绑四枚助推器,全长53.1米,起飞质量597吨,近地轨道运载能力13.5吨,采用了液氧煤油发动机等新技术,是绿色、无毒、无污染的新一代中型运载火箭,将有效提升我国进出空间的能力。海南文昌航天发射场是全新建设的低纬度滨海发射场,具有生态、环保、开放的鲜明特点。它的建成投入使用,将进一步提高我国航天发射能力,优化我国航天发射场总体布局。长征七号运载火箭首飞,是载人航天工程空间实验室飞行任务的开局之战,实现了“成功首飞”的预定目标,为后续任务打下了坚实基础。这次发射,旨在验证长征七号运载火箭设计正确性和各项性能指标,考核海南文昌航天发射场系统执行任务能力,检验工程相关系统间的协调性和匹配性。同时,长征七号火箭搭载多用途飞船缩比返回舱等载荷,将开展相关技术试验。这是长征系列运载火箭的第230次飞行。

“长征五号与现役运载火箭相比,无论在推力、参数、温度、速度、火焰长度方面,还是在点火后火箭在发射台上的停留时间等方面,都有大幅度增长,为火箭的发射带来空前的技术难题,”姜毅介绍到。如何有效降低运载火箭发射时燃气射流引起的相关效应,是我国新一代运载火箭发射场建设的关键技术。

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北理工配合发射场总体设计单位,用“火中浇水”的大胆创新,为我国新一代运载火箭导流槽理论研究和试验验证项目关键技术攻关书写了漂亮的答卷。姜毅带领7名博士生通过缩比喷水试验,证明了通过向火箭燃气流喷水可以大幅度降低燃气射流核心区长度,为降低导流槽设计深度提供了重要的科学依据,为工程建设节约大量成本。团队还完成了向高温高速燃气射流喷水的多种工况数值模拟,建立了数值计算模型,为导流槽的优化设计工作提供了一种高效的技术途径。

发射塔及底部导流槽

现场视频:新型运载火箭长征七号点火升空

据姜毅介绍“新一代航天发射场发射工位必须做到可以兼容发射各种大推力新一代运载火箭的要求,设计出适应性强的导流系统,是我国新一代航天发射场设计的关键技术之一。”为适应长征五号严苛的发射需求,在时间紧、任务重的艰难背景下,姜毅课题组充分发扬了北理工人攻坚克难的科研品质,经过不懈努力,提出了导流槽出口双弧面设计技术,有效降低了燃气流对运载火箭的影响,并通过理论和试验证明了该项技术的有效性,最终在文昌发射场发射核心区的实际导流槽建设中的到了成功应用,圆满完成了导流槽优化设计的理论分析任务,以保证长征五号的顺利发射。

导流槽位于火箭发射塔最下端,是航天发射场最具技术含量的基础保障设施。火箭在发射时会喷出超高温高速的火焰,如果导排不畅,反射的燃气流会对发射设施和火箭尾部产生严重影响,导致发射失败。因此,必须在火箭底部两侧采取导流措施,将高温的燃气导至远离发射架的地方。作为中国最新和最先进的海南文昌航天发射场,在建设之初就定位于满足新一代大推力运载火箭的发射要求,发射场导流槽的设计也成为最重要的技术攻关。

长征七号运载火箭在海南文昌航天发射场点火升空

文昌发射场总体设计单位经过多年对国内各著名研究所及高校研究机构的认真调研,鉴于姜毅教授曾参与完成我国酒泉、西昌等载人航天发射场导流槽研究和设计,不仅在相关理论分析等基础研究方面具有丰富的经验和技术优势,而且具备丰富的工程化经验与过硬的保障实力。值得一提的是,团队不拘泥于已有技术优势,始终保持锐意创新的进取精神,凭借首创的“向燃气流喷水”的关键技术理论突破,征服了总体设计单位。最终,北京理工大学(分数线,专业设置)成为新型航天发射场导流槽设计的唯一合作单位,姜毅教授团队被选为唯一合作者,参与了我国新一代运载火箭导流槽理论研究和试验验证项目关键技术攻关。

新型运载火箭长征七号成功首飞 西安卫星测控中心:护航“长七”顺利升空

“长征五号与现役运载火箭相比,无论在推力、参数、温度、速度、火焰长度方面,还是在点火后火箭在发射台上的停留时间等方面,都有大幅度增长,为火箭的发射带来空前的技术难题,”姜毅教授介绍到。如何有效降低运载火箭发射时燃气射流引起的相关效应,是我国新一代运载火箭发射场建设的关键技术。

长征七号箭在弦上现场2.6万人见证辉煌时刻

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长征七号:我的飞天新使命 长征七号运载火箭是中国运载火箭技术研究院为总体研制单位研制的新型液体燃料运载火箭。其前身是长征二号F换型运载火箭。它是中国载人航天工程为发射货运飞船而全新研制的新一代中型运载火箭。箭体总长53.1米,芯级直径3.35米,捆绑4个直径2.25米的助推器。长征七号采用“两级半”构型,运载能力将达到近地轨道13.5吨,太阳同步轨道5500千克,预计将于2017年送天舟货运飞船升空与天宫二号对接。预计到2021年火箭各项技术趋于成熟稳定时,将逐步替代现有的长征二号、三号、四号系列,承担中国80%左右的发射任务。2016年5月14日长征七号运载火箭安全运抵海南文昌清澜港。随后,将由海南文昌航天发射场通过公路运输方式将火箭分段运送至发射场区,按计划进行发射前各项测试准备工作。这标志着长征七号运载火箭首次飞行任务已进入全面实施阶段。

向燃气流喷水试验

一、长征七号之“ 1.体积最大研制水平最强劲 长征七号是中国载人航天工程为发射货运飞船而全新研制的新一代中型运载火箭。箭体总长53.1米,芯级直径3.35米,捆绑4个直径2.25米的助推器。 据有关专家表示表示,长征七号是一枚“数字火箭”,设计阶段全数字化,生产加工阶段“一键式”,试验装配应用“虚拟现实技术”,代表了中国运载火箭最高研制水平。未来该型火箭将承担中国航天80%的发射任务。 与目前承担载人航天工程的长征二号F相比,长征七号的火箭结构发生重大变化,比如原来的捆绑式火箭是两点支撑,长征七号是三点支撑,助推器长度也增长了近一倍。自2010年正式立项以来,研制团队先后完成32项关键技术攻关,完成了289项初样大型地面试验。比如全箭模态试验,需把火箭绑在高达93米的全箭振动塔上“荡秋千”,模拟出火箭从起飞到助推器分离前100多秒的真实飞行状态。 2.成果最新 挑战最新 动力来源最新——长征七号采用的是我国目前最先进的高压补燃液氧煤油发动机,并且采用6台并联起飞工作,起飞推力达到730吨。胡晓军说,凭借着强大的动力,长征七号运载能力达到了现役火箭的1.5倍,实现了我国火箭的跨越式发展。此外,液氧和煤油燃烧后产生的二氧化碳和水,不会对环境造成任何污染。 设计布局最新——长征七号的助推器长约27米,接近我国现役火箭助推器的2倍,这种改变也需要对火箭的设计进行全面的更新。胡晓军表示,在传统的上、下两支点捆绑基础上,长征七号创新性地采取了上、中、下三支点捆绑技术,有效改善了力学特性。 环境挑战最新——长征七号运载火箭采用了新型的多台大推力发动机并联工作,随之而来的是它的飞行环境将较以往恶劣一些。胡晓军说,长征七号飞行最大热流密度达到现役火箭的约1.5倍,这给火箭的防热设计带来了严峻考验。 技术结构最新——长征七号采用了虚拟现实VR技术和全三维设计制造技术,应用了高效率的等边三角形网格结构,大大提升了我国运载火箭的研制生产水平。 控制体制最新——为实现载人航天工程的高可靠,长征七号采用了具有备份保障的“1553B总线控制”这一成熟的控制体制,同时利用测量船、测控站和中继卫星进行多重测控。 测发模式最新——采用“新三垂”测发模式,即垂直总装、垂直测试、垂直转场。胡晓军说,新型活动发射平台规模将达到现役火箭的2倍,可实现火箭和设备整体同时转运,到达发射工位后简单准备后即可点火发射,大大缩短发射占位时间,增强了运载火箭的发射适应性。

北理工配合发射场总体设计单位,用“火中浇水”的大胆创新,为我国新一代运载火箭导流槽理论研究和试验验证项目关键技术攻关书写了漂亮的答卷。姜毅教授带领7名博士生通过缩比喷水试验,证明了通过向火箭燃气流喷水可以大幅度降低燃气射流核心区长度,为降低导流槽设计深度提供了重要的科学依据,为工程建设节约大量成本。团队还完成了向高温高速燃气射流喷水的多种工况数值模拟,建立了数值计算模型,为导流槽的优化设计工作提供了一种高效的技术途径。

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火箭垂直吊装

据姜毅教授介绍,“新一代航天发射场发射工位必须做到可以兼容发射各种大推力新一代运载火箭的要求,设计出适应性强的导流系统,是我国新一代航天发射场设计的关键技术之一”。为适应长征五号严苛的发射需求,在时间紧、任务重的艰难背景下,姜毅课题组充分发扬了北理工人攻坚克难的科研品质,经过不懈努力,提出了导流槽出口双弧面设计技术,有效降低了燃气流对运载火箭的影响,并通过理论和试验证明了该项技术的有效性,最终在文昌发射场发射核心区的实际导流槽建设中的到了成功应用,圆满完成了导流槽优化设计的理论分析任务,以保证长征五号的顺利发射。

3.长征七号:禁得住水火考验 现役长征火箭发射时都会避开雷雨天,但对长征七号来说,可以在雨中发射。中国航天科技集团一院长征七号总设计师助理胡晓军说,为应对海南发射场潮湿气候,专门进行了防水设计,精细到用来平衡整流罩内外压力的排气孔也有防水。 火箭发射点火刹那温度高达2800摄氏度,科学家找到最合适的喷水点。中国航天科技集团公司一院15所大流量喷水降温降噪系统技术负责人陈劲松说,喷水系统分为两级,各喷20余秒,喷水量达400吨。海南文昌发射场的新一代发射平台也设有喷水降温。 尽管长征七号起飞重量接近600吨,但其钢筋铁骨的结构及设备占重量比仅有10%左右,其余绝大部分都是燃料。新一代运载火箭的标志在于采用无毒无污染的液氧煤油作为燃料。 长征七号使用的新型120吨级液氧煤油发动机,推力较以往提高了60%,火箭运载能力最大能提高3倍,并且燃料易于贮存、运输,发动机也可重复使用。承担研制任务的中国航天科技集团公司六院,累计突破高压补燃关键技术80余项。 4.长征七号:专用船护送保平安 长征七号“搭乘”远望21号火箭运输船从天津运抵海南。这是中国首艘载运火箭的专用船,创新设计出一整套运载火箭海上环境保障措施和火箭集装箱减摇减振手段,被形容为“火箭坐着沙发去发射”。 长征七号首飞箭的发射是载人航天工程空间实验室阶段4次飞行任务的“开局之战”,也是中国新建成的海南文昌发射场首次执行发射任务。针对首飞任务特点,发射场从提高参试设施设备安全性、可靠性入手开展各项技术准备,目前设施设备状态良好,准备工作有序进行。经过专门设计演练,长征七号可以提前加注,为成功发射争取更多有利时间。而为应对发射场每秒20米风速,确保火箭“站得住”,设计人员进行了防风减载装置,可在8级大风情况下进行垂直转运。

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“长七”问天,“飞天大婚”

组图:独家探秘“小七”婚礼全程

导流槽抗漂浮:发射场施工难题

发射场上的“混凝土医生”

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二、文昌航天发射场 长征七号:我从这里出发 海南文昌航天发射场是我国新建的航天发射场,2009年9月动工,具有纬度低、运输条件良好、火箭航区和残骸落区安全性好等特点。与酒泉、太原、西昌3个航天发射场相比,海南文昌航天发射场具有纬度低、发射效率高、射向宽、落区安全性好、海运便捷等优势,能够满足新一代无毒、无污染运载火箭和新型航天器发射任务需求,未来将主要承担货运飞船、大吨位空间站、地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、深空探测卫星等航天器发射任务。 长征七号火箭发射成功,这次发射对我国航天发射布局有哪些影响?为什么要在海南建航天发射场?文昌航天发射场在技术上有何突破?

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发射场选址文昌主要有4个原因 1.世界各国在选择发射场时,都会尽量选择低纬度地区,最好选择在赤道附近,这样可使火箭发射后得到地球自转赋予的向东的初速度,提高运载能力。我国新一代航天发射场选址海南文昌的第一个原因,就是因为这里靠近赤道,纬度较低,用相同的燃料可以将地球同步轨道航天器推得更远,载荷更大,运载效率更高。 2.从运输角度来考虑,长征五号火箭芯级有5米,超高超长,在内陆建发射场运输上受限,通过海运方式解决较为理想。 3.射向更宽,文昌发射场的射向广,比内陆更有优势。 4.安全性好,射向1000公里范围内均为海域,火箭航区、残骸落区安全性好。


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三、长征七号:我的“中国梦” “这是开启我国航天事业新征程的奠基工程,必将推动航天发射综合能力实现历史性跨越,标志着我国由航天大国向航天强国迈出了关键一步。”西昌卫星发射中心副总工程师、海南文昌航天发射场建设指挥部主任周凤广说。 我国载人航天工程自上世纪90年代启动后,确定了“三步走”的发展战略,已实现第一步--发射无人和载人飞船,以及第二步第一阶段--航天员出舱、飞船与空间舱交会对接。目前,中国载人航天工程进入第二步第二阶段--短期有人照料的空间实验室建设。此次长征七号运载火箭首飞成功后,将正式拉开中国空间站建设的序幕。同时,将为第三步--建成长期有人照料的空间站,搭建起“天地运输走廊”。 “2016年是中国航天任务高峰之年。一个国家强不强大,航天是个非常重要的因素,所以我们现在每一次的载人航天、探月任务的成功,对国家对民族的凝聚力,激励全国人民实现各行各业的跨越、创新和实现‘中国梦’都很有意义。” 文昌航天发射场负责人说,今年“长征七号”火箭首飞、“天宫二号”发射、“神舟十一号”载人飞行三大空间实验室任务将接踵而至。记者了解到,中国载人航天工程近年发射计划如下: 2016年9月中国将发射天宫二号空间实验室。 2016年10月,将发射搭乘两名男性航天员的神舟十一号飞船,与“天宫二号”对接。 2017年上半年,将发射天舟一号货运飞船,与“天宫二号”对接。 2018年前后,将发射试验核心舱。 2022年前后,将建成空间站。

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