2025-04-25 08:07
來源：中國網
鏈接已複製
字體：小大
4月24日，搭載神舟二十號載人飛船的長征二號F遙二十運載火箭在酒泉衛星發射中心發射升空。中國網 鄭亮攝影
中國網訊 2025年4月24日，長征二號F運載火箭在酒泉衛星發射中心騰空而起，將神舟二十號載人飛船精準送入預定軌道。
作爲中國唯一現役載人運載火箭，長二F以100%的發射成功率和安全性評估值0.99996的極限指標，被譽爲航天員的“生命守護者”。這枚“神箭”如何在20餘年間蛻變爲全球最安全的載人火箭？答案或許藏在對“安全基因”的持續迭代中。
對可靠性和安全性的極限攀登
1992年，中國載人航天工程啓動時，長二F火箭被賦予了一項看似矛盾的任務：在長征二號E火箭基礎上，將可靠性從普通火箭的0.91提升至0.97，安全性達到0.997。這意味着每100次發射允許3次故障，但即便發生故障，航天員生還概率需高達99.7%。
作爲載人火箭，長二F火箭自誕生之初，就被注入了“安全基因”。當時，火箭研製團隊創造了多個首次：首次研製成功故障檢測處理系統，並初步建成了第一個故障檢測仿真實驗室；首次研製成功大容量實時逃逸遙測系統和兼具氣動整流與逃逸功能的智能整流罩。這些技術突破不僅填補了國內空白，更爲後續可靠性升級提供了可複用的方法論和工程經驗。
基於這一技術基因的持續強化，2011年發射神舟八號前，長二F火箭通過定量評估，可靠性值達到0.98——其核心突破在於對初期冗餘設計的深度迭代：採用控制系統三冗餘計算機的技術，以及慣組冗餘信息處理技術。
此後，通過覆蓋設計、分析、試驗的全鏈條技術攻堅，如今的長二F火箭，可靠性已從最初的0.97攀升至0.9905，安全性更達到0.99996，相當於每10萬次故障中僅有4次逃逸失敗。
背後是百餘項技術改進的積累，也是一場對故障率“錙銖必較”的系統性革命。陳牧野介紹，其科學邏輯貫穿以下三大維度。
其一，廣泛採用多種可靠性設計技術，通過冗餘設計、裕度設計等技術實現關鍵單機三冗餘架構，推動設計理念從“以功能爲中心”向“以可靠性爲中心”轉變。
其二，從設備、分系統到全箭,全面開展了故障模式及影響分析、故障樹分析、潛通分析、最壞情況分析等工作,對火箭故障編織了一張嚴密的網,對長二F火箭所有可能的故障模式及其原因進行“搜索-定位-控制-消除”,確保載人飛行的危險降至最低。
其三，充分進行可靠性試驗，首創全面環境應力篩選和可靠性增長試驗，產品通過試驗可充分暴露並修復潛在缺陷；逃逸相關設備額外進行環境安全餘量試驗，確保極端條件下仍能正常執行指令。
二十餘年間，數百項技術改進如同精密齒輪般咬合。研製團隊通過迭代設計改進，不斷探索可靠性邊界。正如航天科技集團一院陳牧野所言：“從0.97到0.99，小數點後的每一位增長，代價都是指數級的技術攻堅。”
“毫秒級逃生”與“毫米級工藝”
長二F火箭最引人注目的安全設計，是覆蓋全飛行週期的逃逸系統，這套系統如同爲航天員量身定製的“太空彈射椅”，能在毫秒級時間內響應故障，確保航天員安全撤離。
通常來說，當火箭的飛行高度比較低時，需要一個比較大的推力和能量來使得逃逸飛行器快速脫離故障火箭，這時就需要逃逸塔工作，逃逸塔上又包含了逃逸主發動機、分離發動機和控制發動機，發生逃逸時，三種發動機各司其職，可在3秒內迸發70餘噸推力，將逃逸飛行器帶至安全區域，確保航天員的安全。
而隨着火箭飛行時間的延長,航天員面臨的運載火箭爆炸的危險會越來越小，客觀上對逃逸的時間性的要求會愈來愈低。作爲運載火箭的死重——逃逸塔重達近3噸，在不需要逃逸時，帶上逃逸塔對運載火箭而言是一種沉重的負擔。當運載火箭飛行約120s時，火箭的高度約爲38km，爲提高運載能力,火箭近3噸重的逃逸塔拋擲，此時，整流罩上的高空逃逸發動機接管任務，實現無塔逃逸。
長2F火箭研製初期，設計師們只在國外畫報上看到過逃逸火箭和一點零星文章。面對困難，設計師們知難而上，自編出一萬多條程序，利用容量有限的微機，進行了大規模的數字計算，緊密配合，奮力攻關。自1993年5月，歷經4年，研製團隊解決了固體發動機難題，最終通過1998年的“零高度逃逸救生實驗”驗證了其可靠性。
若故障發生在110公里以上高空，逃逸系統將啓動船箭應急分離程序，飛船與火箭脫離後依靠自身動力調整軌道，執行自主返回任務。這套系統至今未被啓用，卻通過了多輪極端條件模擬驗證了其可靠性。
爲確保分離瞬間的絕對同步，整流罩上的32把機械鎖採用了“毫米級工藝”——每把鎖的安裝間隙小於1毫米，32根拉桿通過微調“喫掉”加工誤差，分離時僅發出“一聲響”，誤差控制在毫秒級。
火箭院劉忠介紹，在火箭裝配過程中，工人需在整流罩狹窄空間內懸空作業，用定製工具擰緊螺母，誤差超過一根頭髮絲的直徑即需返工。這種“毫米級”精度甚至延伸到極端預案，從人員調度到設備調試，每個環節均經過多次沙盤推演。
設計加嚴的“安全餘量”哲學
陳牧野介紹，長二F火箭的設計方案、系統設計和產品設計採用“一度故障工作,二度故障安全”的設計思想。爲提高可靠性，長二F火箭多措並舉，廣泛採用了冗餘設計和裕度設計、提高了元器件等級和篩選標準等措施。
在長二F的設計哲學中，“冗餘”不僅是技術策略，更是一種安全本能。其控制系統採用“三冗餘”架構，例如即便某一電路板失效，系統仍能通過“少數服從多數”的投票機制維持運行。
冗餘的代價是複雜度飆升。長二F的零部件數量高達幾十萬個，遠超普通火箭，但其國產化率也一直在攀升。火箭院陳牧野坦言：“冗餘設計是安全基石，但若元器件受制於人，再多的備份也是空中樓閣。”
陳牧野介紹，在產品篩選方面，每一批原材料和元器件入廠後，火箭研製團隊需進行數據包絡分析，其性能指標必須處於歷史成功數據編織的“安全包絡線”之內，稍有偏離即被淘汰。
“可以通過優中選優來爲載人火箭選擇質量更優的產品。在長二F的設計體系裏，關鍵參數必須預留20%安全餘量。”陳牧野表示，產品篩選時，工程師會主動“掐頭去尾”，僅保留性能數據集中在80%區間的產品。現役常規火箭芯級和助推器的對應部段總體而言大同小異，可在通用的產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。
“在技術進化的維度，安全早已突破機械冗餘的邊界。安全不是靜態指標，而是動態平衡；不是成本妥協，而是價值創造。”陳牧野揭示了長二F的進化史，本質上是一場關於“安全”的哲學實踐。
當新一代可重複使用火箭嶄露頭角，長二F火箭的遺產愈發清晰：真正的安全，建立在對每個“毫釐之差”的執着打磨。未來，“神箭”還將繼續向深空邁進，正如陳牧野所說，火箭升空只需幾百秒，但守護這份安全，需要幾代人用一生去打磨。
（文：鄧雨楠）
