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火箭发射倒计时:从科幻到传统

2021-02-0110:21:48来源:人民日报海外版

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火箭发射为什么要倒计时?这要从两部科幻作品说起。1865年,“科幻小说之父”儒勒·凡尔纳出版了第一部描述太空探索的作品《从地球到月球》,故事以美国南北战争结束为背景,大炮发明家们从战场归来,无所事事的他们把目光投向了月球,想出坐进“炮弹车厢”,搭乘超级炮弹前往月球探险的故事,所谓的大炮就是火箭雏形。

书中把发射时间记为T0,大炮俱乐部在全球募集资金,铸造了前所未有的哥伦比亚大炮,并在开炮前一切准备就绪,唯一不同的是,开炮前指令员按自然时间进行顺数计时:35、36、37、38、39、40、开炮!以此规划整个发射进程的制度设计,是科幻作品的首创。

1929 年,科幻影片《月球少女》向电影观众首次呈现一枚登月火箭发射升空的全过程。其中关于火箭点火的细节,包括火箭发射倒计时和宇宙空间失重的描述都很新颖到位。电影大师弗里茨·朗为吸引观众注意力,在影片中营造时间紧迫的戏剧性气氛,在火箭发射镜头中设计了“……3、2、1、现在”的倒数镜头,电影成了这种发射模式的先导。

德国在20世纪30年代制成的第一枚试验火箭,以及后来40年代初研制的“V- 2”火箭,都采用这种倒数计时的发射程序。中国的火箭在发射时也采用了这种程序,由“01”指挥员组织各系统工作、监测系统和倒计时点火。火箭发射使用倒计时真正的作用在于确认火箭发射的时间零点,把火箭在起飞前的各种动作按时间程序化。

如果把从火箭上发射架到任务完成的整个任务过程,以时间轴为数轴的话,那么发射时刻就可作为数轴的零点,我们把它命名为 T0。当火箭发射时,T0时刻就会自动传输到所有的测控站。不同国家在火箭发射倒计时的具体设置上也有差别。比如,中国的火箭倒计时是点火倒计时——以火箭点火时刻作为 T0;而美国的火箭都是采用起飞倒计时——以火箭起飞时刻作为T0。

2020年5月5日,随着“01”指挥员发出口令,长征五号B运载火箭并没有立刻起飞,而是仍“稳坐”发射台。经过了令人忐忑不已的9秒钟后,火箭才腾空而起。相比其他火箭发射时的情景,9秒着实“漫长”得令人印象深刻。那么,这9秒发生了什么?为什么长五B点火9秒后才起飞呢?

实际上,从火箭点火到起飞,中间产生的数秒是火箭正常发射流程中的一环。在此期间,火箭最先工作的四大系统,即测量系统、控制系统、动力系统、测发控系统高速完成上千个步骤。其中,火箭测量系统在点火之前就开始进行箭体内部仪器设备的压力、流量、液位等测量。在“点火”口令发出后,测量系统即时记录、回传火箭各系统仪器设备参数信息,同时,火箭的“大脑”——控制系统给动力系统发出命令,助推器和芯一级相继点火,发动机在几秒钟之内进入满负荷工作状态。与“点火”口令同时启动的还有地面测发控系统,它迅速计算好火箭的初始位置参数、准备跟踪。我们在发射直播时常听到的“某某跟踪正常”,就是地面测发控系统在工作。

这四大系统的初始工作,大多是我们无法直接看到的,但也有一些对应的“小动作”可以轻易看到,如各种地面插头的脱落等。地面设施和火箭连接的插头大致可以分为两大类:供气、供液的管路插头和供电的管路插头。用于供气、供液的管路插头在火箭进入特定程序时自主脱落,而供电的管路插头会坚守到火箭起飞的最后一秒,被火箭上升推力断开,因而非常容易被观察到。

那么,为什么长征五号B运载火箭点火到起飞时间长?其实,它并不是个例。相比其他系列的火箭,长五系列火箭的“推重比”相对较小。“推重比”是火箭的推力和重力之间的比例,是决定火箭从点火到起飞这段时间长短的关键。这是因为,火箭点火后,推力越来越大,直到超过火箭的重力,才能将火箭托举起来,飞向太空。

长征五号系列火箭质量大、推重比最小,建立足够的推力时间更长,所以长征五号B运载火箭需要9秒钟才能把火箭抬起来;其他系列的火箭,如长征二号丙火箭,推重比大,从点火口令下达到起飞的时间只要两三秒。相比之下,观看长征二号丙火箭发射的人可以少紧张一会儿,就能看到火箭起飞了。

责任编辑:龙静玉(EK010)

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