极可靠极安全的巨型工程系统长征二号F运载火箭

本年度，中国载人航天工程计划实施4次发射任务，包括2次货运发射和2次载人发射，目前已完成1次货运发射和1次载人发射，即将迎来第2次载人发射。预计在10月底，“神舟十九号”将发射前往中国空间站，承担运载工作的则是“长征二号F”，这是用极高标准打造的一款专业载人火箭，是我国现役运载火箭当中独特的存在。

最复杂的巨型工程系统——载人火箭

“长征二号F”是中国载人航天工程专为载人发射任务而研制的运载火箭，于1992年底启动研制，并由中国航天科技集团一院承担具体研制工作。1999年11月20日，“长征二号F”（遥一）火箭搭载“神舟一号”无人试验飞船成功首飞。

“长征二号F”为中型常温液体运载火箭，采用两级半构型串并联结构，芯一级与芯二级串联，四枚助推器和芯一级集束捆绑，主发动机全部采用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂。目前该箭在用的为改进型“长征二号F/G”，包括“长征二号F/G”Y和“长征二号F/G”T两个构型，用于载人飞船发射的是“长征二号F/G”Y。“长征二号F/G”Y长58.34米，芯级直径3.35米，助推器直径2.25米，整流罩最大直径3.8米，起飞质量约497吨，近地点200千米、远地点350千米、倾角42度的近地轨道（LEO）运力为8.8吨。

不同于用于非载人任务的运载火箭，外观上“长征二号F”火箭顶部多了一个“尖塔”，那是用于载人飞船逃逸飞行的逃逸塔。相较于非载人任务火箭，“长二F”拥有更复杂的系统构成。“长二F”火箭系统由多达十个分系统构成，包括箭体结构、动力、控制、推进剂利用、故障检测处理、逃逸救生、遥测、外测安全、地面设备和附加等系统，其中故障检测处理、逃逸救生是该载人火箭系统所特有的，目的在于出现紧急情况时航天员可以安全返回。

运载火箭是迄今人类历史上最复杂的巨型工程系统，普通火箭由超过十万个零部件构成。载人火箭则是系统最复杂的运载火箭，零部件达到几十万个。对于工程系统而言，整个系统是一个统一的整体，构成越简单越能确保可靠性，构成越复杂对于分系统、部组件、零件的质量要求就更高，载人火箭的难度在于拥有更复杂的系统却要达到更高的指标要求。研制之初，“长二F”被设定了0.97的可靠性和0.997的安全性指标，这是20世纪末中国运载火箭研制的最高标准。

“高级配置”确保火箭发射极可靠

作为飞上天的巨型系统，可靠性是运载火箭最关键的指标之一。普通运载火箭的可靠性设计指标达到0.90即可，载人火箭则需要达到0.97及以上，怎么实现高可靠性要求？

“长征二号F”火箭的设计方案、系统设计和产品设计采用“一度故障工作,二度故障安全”的设计思想。为了提高可靠性，“长征二号F”火箭多措并举，广泛采用了冗余设计和裕度设计、提高了元器件等级和筛选标准等措施。

双冗余乃至三冗余的“高级配置”。由于受到系统复杂程度和元器件质量水平的限制,必须进行冗余设计才能实现火箭整体的可靠性设计指标。对可靠性影响比较大的且可以实现冗余的产品进行冗余设计。

以（“长二F”基本型）控制系统为例，控制系统箭上部分由制导系统、姿态控制系统、时序控制系统、电源配电系统和飞行控制软件组成。制导系统采用平台(捷联)-计算机方案，以平台为主，捷联惯组为备份。箭载计算机上实现了部件冗余，增加了冗余管理，采用CPU、A/D 和D/A 三冗余。姿态控制系统采用姿态角-姿态角速率-数字网络-摇摆发动机方案，相敏检波滤波装置、箭载计算机A/D变换采用三冗余，按2/1表决进行工作；箭载计算机 D/A、综合放大器与伺服机构伺服阀前置级、反馈电位计均采用三冗余。广泛的双冗余乃至三冗余配置让飞控系统在应对故障时游刃有余。

“良中选优”筛选元器件。元器件的质量建立在基础工业水平之上，同时，可以通过良中选优来为载人火箭选择质量更优的元器件。老一代的“长征”火箭芯级和助推器的对应级段总体而言大同小异，存在大量通用的元器件，可在这些出厂的合格品中选择质量更优的部分供应载人火箭，构成“长二F”火箭高可靠性的基础。

目前，“长征二号F”（遥十八）火箭的可靠性评估值已提升至0.9903，即每实施100次发射只可能出现不到1次的故障，在现役运载火箭当中处于极高的水平。

极致安全实现载人发射万无一失

“载人航天，人命关天”，航天员安全是发展载人航天的重中之重，这就使得载人火箭必须具备很高的安全性。为此，“长征二号F”安全性指标达到0.997，即面对运载火箭故障采取的安全措施中，每1000次只允许出现3次不成功，这是怎么做到的？

“长征二号F”高安全性主要依靠逃逸系统实现的。逃逸系统的任务是当运载火箭抛整流罩前发生重大危险,威胁到航天员的生命安全时,负责使航天员脱离危险区,并为航天员的返回着陆提供必要的条件。逃逸系统位于火箭整流罩上半部分至火箭顶部的区域，由逃逸塔、上部整流罩、栅格翼及其释放装置、上支撑机构、下支撑机构和灭火装置组成。逃逸系统的动力装置由逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰发动机、高空逃逸发动机和高空分离发动机组成。

在逃逸系统的工作范围(起飞至整流罩分离)内,逃逸模式分为两种,即有塔逃逸模式(模式I)和无塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式I适用于火箭飞行－900~120秒（点火前15分钟-逃逸塔分离）,对应高度是0~39千米，模式Ⅱ适用于火箭飞行120~212.5 秒（逃逸塔分离-整流罩分离），对应高度是39~约115千米。在模式I中,60秒之前不要求火箭发动机关机，60秒之后需要火箭发动机关机。

在逃逸系统之外，运载火箭还拥有船箭应急分离程序。针对运载火箭抛整流罩之后的航天员安全保障，在212.5~585.1秒阶段，对应高度大于115千米，如遇紧急情况，将实施船箭应急分离，飞船采用弹道式返回。

针对航天员的安全，运载火箭设计了分阶段、全覆盖的逃逸程序，确保航天员全过程安全。目前，“长二F”（遥十八）火箭安全性评估值达到0.99996，即在火箭发射失败的情况下，逃逸系统每工作10000次可能失败的次数不到1次，这是名副其实的“万无一失”。

首飞至今，“长征二号F”运载火箭已经实施了23次发射任务，包括18次“神舟”系列飞船发射，2次“天宫”空间实验室发射，3次可重复使用试验航天器发射，全部取得成功，用实际表现印证了其高可靠性。10月底，“长二F”火箭又将瞄准太空执行“神舟十九号”载人飞船发射任务，这将是“长二F”为中国载人航天工程执行的第21次发射任务。

作者：木兰星舟