一个跟头翻出的荣耀
神舟五号任务的成功实现了“三步走”战略的第一步:突破和掌握了载人飞船的天地往返技术。紧接着的第二步目标是:突破和掌握太空出舱和空间飞行器的交会对接技术,发射空间实验室,解决有一定规模、短期有人照料的空间应用问题。
2004年1月,一个冬阳普照的日子,火箭专家刘宇被任命为火箭系统的总指挥。他接手的第一项任务就是在即将到来的一年间,研制完成用于发射神舟六号飞船的长征二号F火箭。如何继承前人的辉煌,怎样开拓创新,是他面临的最大困难。
除了压力之外,还有一个长期困扰在刘宇心里的问题不得不面对。几个月前,杨利伟从太空返回后,曾告诉刘宇和刘竹生,火箭上升到三四十千米的高度抛掉逃逸塔后,出现了比预想要严重得多的箭体振动。长达26秒的强烈振动让他有濒临死亡的感觉。而在此之前,箭体的振动频率被认为对航天员是没有影响的。
杨利伟所描述的其实是一种共振现象。简单地说,就是当一个外力的振动频率与一个物体的固有频率相等时,会使这个物体的振动放大。
第一次世界大战时,一队士兵迈着整齐划一的步伐通过一座大桥,由于行军脚步的频率与大桥自身的振动频率恰好相同,竟然致使一座大桥瞬间坍塌,人落谷底,全军覆没。人体对10赫兹以下的低频振动非常敏感,它会让内脏产生共振。而对飞船上的杨利伟来说,振动叠加在几倍体重的负荷上,自然更是难以忍受甚至是致命的。
这是“长征”系列运载火箭第一次载人上天,共振情况也是首次被发现。从上级领导到普通研制人员都很关注这个“陌生”的问题,可要准确判断出症结所在绝非易事。
航天科技集团公司副总经理许达哲作为主管领导,和刘宇、刘竹生商量后决定,在研制新的火箭之前,首先要解决旧的问题。许达哲特意把一批有丰富工程经验的老专家、老院士请来,成立联合分析小组,一起进行“会诊”。他们收集了从发射神舟一号到神舟五号时火箭的所有数据,一步步分析查找、一项项加以验证。
数据分析工作不仅复杂,而且枯燥,面对不知从何下手的研制人员,刘竹生给大家举了一个钟和磬的例子。一座寺庙里的钟和磬因为发生了共振,总是同时响起来,和尚们都以为庙里在闹鬼,惶惶不可终日。后来,有人来到庙里,把磬锉掉了一小块儿后,钟和磬便相安无事,再也没有同时响起。大家听后明白了刘竹生的用意,火箭的振动和这个例子要说明的问题是一样的。但就是这个看起来并不复杂的问题,刘宇和刘竹生却带着大家苦干了一年多。400多个日日夜夜里,他们先是确定机理,之后从火箭一级发动机工作的0—140秒中,逐秒、逐段地查找振动频率,寻找问题“元凶”。
2005年3月,在火箭进入总装准备阶段时,这个困扰研制队伍1年多的问题终于得到了定位,火箭系统的副总设计师张智找到了原因。发射神舟五号时,火箭发动机造成的推力脉动与火箭结构振动频率在飞行的某一时间段接近和重合,造成了意外的共振,频率是8赫兹。而8赫兹的频率恰好是人体器官的频率,会加剧人体的不适感。这种现象在专业上被称为“谐振”或“耦合振动”。为了进一步确认这个结论,张智对火箭进行了真实状态的全箭振动试验和助推器振动试验,摸清了箭体结构纵向一阶频率和助推器、芯一级的管路**脉动的频率范围,证明了判断的正确性。
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