航天科普:长征二号F运载火箭

长征二号F（代号：CZ-2F，简称：长二F，绰号：神箭）是中国航天科技集团公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制的一种大型两级捆绑助推器运载火箭，是中国主要用于发射神舟载人飞船和大型目标飞行器到近地轨道[46]。 长征二号F是在长征二号E捆绑火箭基础上，按照发射载人飞船的要求，以提高可靠性，确保安全性为目标研制的运载火箭[1]。该火箭由四个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成。火箭首次采用垂直总装、垂直测试和垂直运输的“三垂”测试发射模式。长征二号F火箭自1992年开始研制，1999年11月19日首次发射并成功将中国第一艘实验飞船"神舟一号"送入太空。长征二号F多次成功发射神舟系列飞船，已成为中国长征系列运载火箭家族中的“明星”火箭[2]。 2021年6月17日9时22分，搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭，在酒泉卫星发射中心发射并将神舟十二号进入预定轨道。随后长征二号F总设计师容易接受了央视的采访。长二F火箭全程参与了中国载人航天工程“三步走”战略的每一步，共执行十余次任务，其中包括发射5艘无人飞船、2个空间实验室和7艘载人飞船，均取得圆满成功，将12名、17人次航天员送入太空。 北京时间2021年10月16日0时23分，搭载神舟十三号载人飞船的长征二号F遥十三运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，约一小时后，神舟十三号载人飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，顺利将翟志刚、王亚平、叶光富3名航天员送入太空，飞行乘组状态良好，发射取得圆满成功。 北京时间2022年11月29日23时08分，搭载神舟十五号载人飞船的长征二号F遥十五运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，约770，分钟后，神舟十五号载人飞船与火箭成功分离，顺利将费俊龙、邓清明、张陆3名航天员送入太空，飞行乘组状态良好，发射取得圆满成功。 20世纪60年代至70年代，世界航天强国美国、（前）苏联相继实施载人航天计划。1961年4月12日苏联宇航员尤里·加加林首次太空飞行。1969年7月21日，美国人尼尔·阿姆斯特朗首次登上月球。1971年4月19日，苏联率先发射了载人空间站。 20世纪80年代，我国开展了“高技术发展研究规划论证”。 1986年3月，国务院组织制定了中国高技术发展研究规划，称为“863计划”。 1987年，我国开始实施“863计划”，分7个重点领域，其中之一“863-2”即为中国载人航天领域制定发展蓝图。从1987年开始历时5年，一直到1992年1月，进行载人航天技术经济可行性论证，之后进入准备立项阶段。 1992年9月21日，经过多年周密论证，中央政治局常委会决定实施代号“921工程”的载人航天工程，确定了“三步走”的发展战略。 长征二号F火箭作为载人航天工程的重要组成部分，成为中国载人航天工程的七大系统之一。立项研制时不仅将运载能力、入轨精度等性能指标，而且将可靠性、安全性指标也作为最重要的设计参数，确定按照可靠性不低于0.97、安全性不低于0.997的目标进行研制。 1992年年底，长征二号F火箭研制正式启动。 1999年11月20日，长征二号F火箭首次发射并取得成功，将中国第一艘无人实验飞船“神舟一号”送入太空。 2003年10月15日，长征二号F火箭将我国首名航天员杨利伟送入太空，使我国成为继（前）苏联和美国之后，第三个将人类送上太空的国家。 长二F火箭是在长二E的基础上，按照发射载人飞船的要求，以提高可靠性确保安全性为目标研制的运载火箭。火箭由四个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成，是当时我国所有运载火箭中起飞质量最大、长度最长的火箭。运载火箭有箭体结构、控制系统、动力装置、故障检测处理系统、逃逸系统、遥测系统、外测安全系统、推进剂利用系统、附加系统、地面设备等十个分系统，为兼顾卫星的发射，保留了有效载荷调姿定向系统的接口和安装位置。故障检测处理系统和逃逸系统是为确保航天员的安全而增加的，其作用是在飞船入轨前，监测运载火箭状态，若发生重大故障，使载有航天员的飞船安全地脱离危险区。 长征二号F运载火箭由箭体结构系统、动力装置系统、控制系统、推进剂利用系统、故障检测处理系统、逃逸系统、遥测系统、外测安全系统和附加系统及地面设备系统共10个系统组成。 助推器、芯级第一级、芯级第二级、整流罩、逃逸塔等箭体结构组成了火箭的“身体”。助推发动机、一级发动机、二级发动机是火箭的“动力和心脏”。控制系统是火箭的“大脑和神经”。为了更加充分有效地利用火箭装载的燃料，火箭上还设计了推进剂利用系统，能够保证二级火箭的氧化剂和燃烧剂同时燃烧完毕。 长征二号F火箭继承了长征二号E火箭的主要构型，即：芯级捆绑4个助推器。助推器在长征二号E基础上加长，捆绑连接点位置由一级后箱前短壳移至一级箱间段；对整流罩按照飞船和逃逸的要求进行了全新设计，在整流罩上面增加了逃逸塔；在助推器尾部增加了尾翼。火箭全长58.3米，起飞重量479.8吨，是21世纪初期我国研制的火箭中最高、最重的。 长征二号F火箭的芯级直径3.35米，助推器直径2.25米，整流罩直径3.8米，火箭最大横截面直径10.2米。火箭芯级和助推器均使用四氧化二氮和偏二甲肼推进剂，一级加注推进剂约186.6吨，二级加注推进剂约84.8吨，助推器加注推进剂约41.5吨，火箭加注质量481.9吨。在近地点高度200千米，远地点高度350千米，轨道倾角42.4°时，运载能力大于7.8吨。 长征二号F运载火箭为了保障航天员的安全，保证即使在突发的意外情况下航天员依然能够顺利脱离危险的故障火箭，设置了故障检测处理系统，用于参数检测、判断，在发现火箭出现重大故障时发出逃逸指令，并按逃逸模式执行逃逸指令。火箭的逃逸系统是故障检测处理系统的执行机构，处于火箭最前端的尖状物就是逃逸塔。 为了测量火箭的弹道，接收地面逃逸指令和安全控制指令，火箭设置了自己的安全系统。为了了解火箭飞行过程中的工作情况，火箭上还设置了遥测系统，它能够测量、记录和发送火箭在飞行中的所有工作参数和环境参数，为故障检测处理系统提供检测参数，同时为地面故障判断实时提供遥测参数，这两个系统都需要同地面的测量设备协同工作，地面测控站和远在太平洋的“远望号”测量船则需要接收火箭传回的信号，并给火箭发出相应的控制指令。 此外，火箭还需要主要由耗尽关机信号系统、加注液位测量、推进剂测温、垂直度调整和地面总体综合测试网组成的附加系统，以及由地面发射平台、推进剂加注设备、转运车、吊装设备、各系统地面测试设备等组成的地面支持系统，共同完成火箭在发射场的组装、测试、转场等一系列火箭发射前的准备工作。 长征二号F火箭上增加了自动故障检测处理系统，这套系统可以在飞船待发射阶段和上升阶段自动进行故障检测，一旦有问题它会自动报警。假如航天员正在塔架上尚未进舱，他们可以就近跳进塔架上的逃逸布袋，布袋是用一种弹力很强的特殊帆布做的，航天员跳进去后用四肢的阻力来控制下降的速度，像乘软滑梯一样从上面一直滑到地下室的安全地区。假如航天员已经进舱，这套系统可以指挥火箭顶部的逃逸塔自动点火，把飞船返回舱拽离火箭，安全降落。 为保证航天员的安全，长征二号F火箭还取消了其他火箭一旦姿态不稳便自动自毁的功能，配备了逃逸系统，一旦出现意外，它可以随时启动。逃逸系统又称逃逸塔，在飞船的顶部，塔高8米，从远处看像是火箭上的避雷针。其任务是在火箭起飞前900秒到起飞后160秒时间段内，即飞行高度在0～110千米时，万一火箭发生故障，其可以拽着轨道舱和返回舱与火箭分离，并降落在安全地带，帮助飞船上的航天员脱离险境。 鉴于在以往的飞行中，火箭的关机、分离等动作，地面控制中心都是靠相应的遥测参数来获知，但相关参数具有间接性，不直观。第六枚长征二号F运载火箭在遥测系统中首次设置了图像测量系统，用于监视助推器分离、级间分离、整流罩分离、船箭分离的过程，使地面控制中心人员能够直接“观看”到分离过程。 与遥测参数相比，图像信息需要占用更宽的数据频带，原来分配给遥测系统的数据传输速度也不够，需要从总体上调整遥测参数，为图像信息数据调整出所需要的频带。同时增加图像压缩处理器，尽量压缩图像信息的数据量。其次，需要上天飞行的CCD摄像装置、图像压缩处理器、图像综合控制器等一系列设备还要经历严酷的火箭飞行环境的考验，包括高过载、振动、高温、真空等。因此，相关设备的设计标准和历经的试验都需要通过高标准的考核。 衍生型号 长征二号F运载火箭共有长征二号F基本型和长征二号FG型和T型： 长征二号F基本型 长征二号F基本型，简称长二F型火箭（CZ-2F），或称原型，用于发射神舟飞船的载人任务，安装逃逸塔。 火箭全长58.34米，芯一、芯二级直径3.35米，助推器直径2.25m，整流罩直径3.8m，起飞质量479.8吨，可以把8.4吨的有效载荷送入近地点200千米、远地点350千米、倾角42°的地球近地轨道。长征二号F基本型先后成功发射了“神舟“一号至“神舟”七号飞船，为我国成功实现载人航天飞行做出了历史性贡献。2008年9月25日长征二号F基本型完成了最后一次发射，目前已停产。 长征二号F/G 长征二号F改进型运载火箭，简称长二F改型火箭（CZ-2F/G），用于替代基本型发射神舟飞船载人任务（安装逃逸塔）长征二号F改是在长征二号F基本型基础上，助推器推进剂储箱顶部由椭球顶改为锥形顶，提升推进剂储存量，改用双激光惯组主从冗余，增加近地轨道推力。与基型比较，长二F改有170多项改进和190多项技术状态的变化。 火箭起飞质量约493吨，发射载人飞船型号和发射目标飞行器或空间实验室的型号（无逃逸塔）的整流罩直径分别为3.8米和4.2米，火箭全长分别为58.34米和52米。可以把8.8吨的有效载荷送入近地点200千米、远地点350千米、倾角42°的近地轨道。从神舟八号发射任务起，长征二号F基本型不再执行任务，后续任务由长征二号F改执行。 长征二号F/T 长征二号F改进型运载火箭，简称长二F改T型火箭（代号：CZ-2F/T），用于不载人任务和目标飞行器如天宫一号（不设逃逸塔，整流罩顶部改为冯·卡门曲线）的发射。该火箭整流罩首次采用了“冯·卡门曲线”。在发射“天宫”一号目标飞行器时，火箭外形上的最大变化是整流罩长度由先前的10.7米增至12.7米，最大直径也由先前的3.8米增至4.2米。采用“冯·卡门曲线”一是能够减小空气阻力和脉动压力；二是减轻了箭体结构的载荷影响，同时对整流罩的载荷设计也有好处。 2005年10月12日，长征二号F火箭将航天员费俊龙、聂海胜送入太空，实现多人多天飞行试验，这也标志着中国载人航天工程的“第一步”成功实现。 2008年9月25日，长征二号F火箭将翟志刚、刘伯明和景海鹏三名航天员送入太空，翟志刚迈出中国人漫步太空的第一步，使中国成为世界上第三个独立掌握空间出舱活动关键技术的国家。 2011年11月3日，长征二号F火箭在酒泉卫星发射中心将神舟八号飞船成功发射升空，神舟八号飞船与天宫一号目标飞行器成功实现刚性连接，形成组合体，中国首次空间交会对接试验获得成功，成为世界上第三个自主掌握空间交会对接技术的国家。 2012年6月16日，长征二号F火箭在酒泉卫星发射中心将神舟九号飞船成功发射升空，神舟九号飞船与天宫一号载人交会对接任务圆满成功，实现了中国空间交会对接技术的又一重大突破，标志着中国载人航天工程“第二步”战略目标取得了具有决定性意义的重要进展。 2016年10月17日，长征二号F火箭成功发射神舟十一号飞船，航天员景海鹏、陈冬，成功在太空驻留33天，完成系列科学试验和技术试验。完成了中国载人航天工程的“第二步”[11]。 2021年6月16日，从神舟十二号载人飞行任务新闻发布会获悉，经总指挥部研究决定，瞄准北京时间6月17日9时22分发射神舟十二号载人飞船，执行此次发射任务的长征二号F遥十二火箭将加注推进剂。 2021年6月17日，搭载神舟十二号载人飞船的长征二号F遥十二运载火箭，在酒泉卫星发射中心点火发射。 2021年10月16日0时23分，搭载神舟十三号载人飞船的长征二号F遥十三运载火箭，在酒泉卫星发射中心点火发射，神舟十三号载人飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，顺利将翟志刚、王亚平、叶光富3名航天员送入太空，飞行乘组状态良好，发射取得圆满成功。 2022年6月5日10时44分，搭载神舟十四号载人飞船的长征二号F遥十四运载火箭在酒泉卫星发射中心点火发射，约577秒后，神舟十四号载人飞船与火箭成功分离，进入预定轨道，飞行乘组状态良好，发射取得圆满成功。 2022年8月5日，我国在酒泉卫星发射中心，运用长征二号F运载火箭，成功发射一型可重复使用的试验航天器，这是长征二号F运载火箭第18次执行发射任务。 长征二号F作为我国的新一代运载火箭系列，适应能力强，能够满足21世纪初30~50年代我国国内和我国以外的国际载人航天发射市场的需要，可以使我国运载火箭实现升级换代，并推动其产业化进程，实现其跨越式发展，从而全面提升中国运载火箭的国际竞争力。 长征二号F的可靠性指标达到0.98，也就是100次发射中可能出现故障的几率不能超过两次，是我国现役火箭当中最高的。