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记者李作明的纪实报道——2007年发表的作品
14位学子打造中国探空火箭
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14位学子打造中国探空火箭

【作者:李作明】


  前不久,在甘肃酒泉卫星发射中心,随着一声巨大的轰鸣,三枚白色探空火箭先后带着长长的烈焰射向蓝天。鲜为人知的是,这三枚火箭的设计者竟是北京航空航天大学14位本科生……

  【特别提示】
  2007年3月2日,北京航空航天大学又迎来了新的一个学期。上午9时,学校电视台直播了开学典礼,校长李未在讲话中特意表扬了朱浩、饶大林等14位同学在读本科之时,“独立设计了名为‘北航1号’的三枚小型探空火箭,并在酒泉成功发射,开创了中国在校本科学生自行设计、成功发射探空火箭的先河!”

火箭发射成功后,同学们与酒泉卫星发射中心的专家们合影

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  2005年11月22日晚9时许,北京航空航天大学宇航学院副院长蔡国飙教授刚刚讲完一节课,在课间休息之时,飞行器动力设计2001班的朱浩与饶大林走到他的面前,欲言又止。“有什么事你们说吧。”他笑着对他们说。

  “我们觉得在这三年多时间内学到了不少关于航天飞行器制造的理论知识,现在临近毕业,学习任务要轻松一些,我们又是保送研究生,没有考研的压力,所以我们想造一个火箭……”朱浩踌躇满志地说。

  造火箭?蔡国飙教授愣住了:北京航空航天大学自建校以来,只在1958年时由教师们成功设计研制过一枚名为“北京一号”的探空火箭,之后的近50年里再没有过这样的项目,而朱浩他们是学生,他们能行吗?

  “造火箭,这个想法很好啊!只是仅凭你们二人要设计一个火箭是比较难的,必须有一个团队才行!同时,要造火箭也得花一大笔经费呢。我会在宇航学院的院委会上将这事提出来研究……”蔡国飙说。两天后,蔡国飙给他们打来电话:学院支持你们的“火箭计划”!

  2005年11月25日,“北京航空航天大学学生探空火箭项目”在宇航学院领导的支持下正式立项,朱浩被确定为项目的总负责人,负责联络参与人员以及协调各部门的工作。学校在除了为学生提供必备场地、经费等外,还特别成立了一个7人指导小组,其中包括3名老教授。此后,项目负责人的朱浩先后请来飞行器动力设计专业的饶大林、张莘艾、王文龙;又请来飞行器探测控制设计专业的何小英、杨勇、薛松柏、周军华;还请来了飞行器总体设计专业的姚伟、王光远、唐万元、张晓天、张凌燕、何兆伟同学一起组成该项目的研究设计小组。

  当负责研究设计的人员到位之后,这14个本科生便开始了神圣火箭项目的研究与设计工作。他们在设计火箭的执行任务时初步达成了两个方案:其一是生物火箭——在这个生物火箭中放一只小白鼠,在火箭发射升空与运行的过程中用摄像头观测小白鼠的生活与生存情况,并收集相关的科学数据;其二是探空火箭——模拟载人航天以及探测气象状况,在升空的过程中以及升空之后探测大气的相关参数。因为这两个方案的支持者各占一半,所以朱浩决定采用民主调研的方法来确定火箭的执行任务。通过半个月的调研之后他们发现,凭他们所学的知识以及项目周期仅有一年的实际情况,要设计生物火箭很难,所以他们最终放弃了对生物火箭的设计,而改成设计用于大气参数测定的探空火箭。

  当火箭的执行任务确定之后,给这三枚火箭取什么名字又让他们犯起难来,大家为此争论不休:有人建议叫银鹰;有人建议叫银箭,还有人提议叫“宇航1号”……名字很多,但都觉得不是太理想,最后有人提议取名为“北航1号”,觉得这样可以体现北京航空航天大学学生的钻研精神,大家认为这个名字意义深刻,于是将其确定下来。

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  有了火箭的执行任务和名字,大家便开始具体分工:朱浩、饶大林、张莘艾、王文龙因为所学的专业是火箭动力工程设计专业,所以他们四人负责动力系统、点火控制系统以及分离回收系统的设计;何小英、杨勇、薛松柏、周军华因为所学的是航天探测指导控制专业,所以他们四人负责火箭的数据采集系统的设计;而姚伟、王光远、唐万元、张晓天、张凌燕、何兆伟等人学的是火箭总体设计专业,所以朱浩安排他们负责该火箭的总体设计。整个设计也因此而分成了动力、探测与总体三个小组。之后,他们又将火箭的大小与重量进行了确定:火箭全长设定在2.5米左右,最大直径为0.18米,箭体质量95千克左右,发射高度一万米左右,有效载荷质量10千克左右。

  虽然朱浩、饶大林他们14人中有12人是学校保送的研究生,可是设计火箭这样的高难度项目,其中的复杂性却无法预料。当他们开始了这项庄严而神圣的任务之后才发现,自己平常所学的跟航天飞行器有关的理论知识和实际操作原来有着相当的差距,因而朱浩与他的伙伴们最终确定了“简单实用”的原则,并从火箭的发动机开始了最初的研制。同时,项目刚刚启动时,整个团队就陷入了困境:由于对各个环节估计不足,日程安排不合理,项目进展缓慢。虽然他们想了很多预案,预想了很多种可能,但在设计研制过程中还是发生了很多的意外。

  火箭包括有效载荷部分和发动机部分,有效载荷是用来测试大气参数的,而发动机部分是推动火箭升空用的。当火箭上升到一定高度,发动机中的燃料消耗得差不多时,发动机中的空壳部分就必须与有效载荷相分离,怎么实现这个分离呢?负责火箭总体设计的姚伟、周军华等人最初决定采用爆炸螺栓来实现分离,因为这种技术在国内、国际上被广泛运用。

  然而,2006年3月,当他们将根据书本上的理论知识所设计的爆炸螺栓方案拿到相关部门去调研时却发现,这种方案根本不适合他们的火箭——他们的火箭太小了,而爆炸螺栓是预先生产好的,一般的民营企业又不能保证其产品的可靠性和安全性,所以不允许生产该类产品。怎么办呢?之后,他们又分别考虑了弹簧分离法、电磁分离法等方法,最终采用了张晓天提出并设计的“火工作动筒”分离法。

  火箭是靠火箭发动机喷射产生的反作用力向前推进的飞行器,因而火箭在升空的过程中,发动机就起着关键性的作用。以朱浩为组长的动力系统组只用了两个星期就设计好了发动机方案。2005年12月中旬,当饶大林、王文龙等人拿着自己的单室双推力火箭发动机以及端面燃烧的固体发动机两种方案,满怀信心地去内蒙古找到航天科工集团六院向专家咨询时,谁知该院的总设计师程研究员却对他们的设计方案给予了全盘否定,理由是他们的设计无法确保火箭在升空过程中的安全性。

  被程研究员否决之后,他们顿时如泄了气的皮球,不知如何是好。但此时程研究员又对他们的精神予以了肯定,同时给他们提出了另外一种可行的发动机设计方案——新型内控燃烧固体发动机的建议,并为他们介绍了该方案的核心技术与设计方法。就这样,发动机组的电脑设计图在老师和专家们的指点下,先后修改了5次最终定稿。

  而控制组在研究设计时也遇到了难题:因为他们在控制与监测方面所用的电子元件与集成块都是在常温、常压下使用的,虽然能正常工作,但这种设计如果运用到火箭中去,火箭在升空的过程中,温度与重力加速度都大大地改变了,所以,他们所设计的很多控制方案在地面上实验时尚能保证可靠性,可一旦置于火箭升空的环境中去做此实验之时,却发现可靠性一下子就改变了,因而他们为此颇伤脑筋。

  2006年5月,他们进行了第一次地面点火试验。当他们紧张地看着控制屏,希望火箭发动机能够正常点火时,却发现发动机喷管出了问题,结果导致发动机被烧毁。看到自己设计的产品出现这种结果,负责此项设计的张莘艾伤心得哭了。在这些孩子中大多是独生子女,从小到大都是一帆风顺地成长,面对失败,他们个个都像霜打的茄子一样,蔫了。

  在这关键时刻,还是蔡国飙老师以及张玉珠、王慧玉、张振鹏、马树森、李慧丰等老师给了他们信心。他们在帮张莘艾仔细地分析了他的设计方案后,得出了一个让同学们重振旗鼓的结论:是喷管加工工艺没达到要求,跟设计无关。

  除了设计方面所出现的一个又一个难题折磨着他们,生活方面的难题也折磨着他们。在2006年暑假里,因为他们已经被保送上了硕士研究生,按学校的规定,他们不能在学校宿舍住了。在此情况下,他们只得在宇航学院的一间会议室里打起了地铺,不仅要忍受夏天的酷热,还得忍受蚊虫叮咬。为了赶进度,他们常常通宵在电脑前进行各种仿真模拟试验,有时熬到实在睁不开眼时,才蜷在地铺上沉沉地睡一会儿。也就是在这样的日子,让这些从小生长在蜜罐里的他们真切地感受到了航天人吃苦耐劳的精神。

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  他们所设计的火箭大概要花三百万元,可实际上却只花了几十万元。这是因为他们去联系制造火箭的单位之时,那些单位的领导有感于他们是在校本科学生却有如此雄心壮志,都纷纷给予他们大力的支持:航天科工集团六院不仅按他们所设计的发动机图纸免费给他们生产发动机并进行实验,还向他们输送成熟的技术;航天科工集团三院又为他们援助了发射系统(发射架)部分;航天科技集团五院帮助他们设计和实验分离回收机构;中国酒泉卫星发射中心免费为其提供发射塔;一家民营企业也以半赞助的形式为其生产加工火箭的壳体以及火箭内部的架体等。

  然而,好事多磨。2006年10月底,队员们准备动身去呼和浩特市进行全箭试总装的前一天,火箭在试滑时,却发生了箭体上架后晃动的现象。如果不解决这个问题,这将直接影响到火箭的成功发射,因而这个问题是火箭研制以来所遇到的最大的问题。

  面对可能功亏一篑的这个问题,队员们急得像热锅上的蚂蚁,这时,负责这一部分设计的张凌燕连夜拿出了两套新的方案。第二天早上6时,他便直奔位于北京大兴县的零件加工厂。8个小时后,他背着刚刚赶制出来的零件出现在北京火车站时,汗湿的手心里又攥着了晚上9时去往呼和浩特的车票。

  2006年10月31日,当一切都准备就绪之后,同学们终于舒了一口气。但随之另一种期待却又在他们胸中积郁起来:期待第二天的发射能够圆满成功!11月1日8时,甘肃酒泉卫星发射中心。在晨辉的沐浴下,一枚2.53米长的白色火箭静卧在绿色的火箭发射架上,直指长空,蓄势待发。

  “发射准备,人员撤离!”发射场上数十位官兵严阵以待:“3,2,1,点火!”随着一声令下,负责总体设计和控制的薛松柏从容地按下电子点火器按钮。也就在这一刻,全长2.53米,重95千克,有效载荷质量10千克的探空火箭尾部瞬时喷出耀眼的火焰,箭体也以迅雷不及掩耳之势从发射架上呼啸而出,在蓝色天幕上划出一道白烟,直刺万米高空。

  当初在设计火箭之时,考虑到设计一枚火箭失败的风险比较大,他们便特地同时设计了三枚火箭,这样就能更大程度地保证此项目的成功。11时和12时,朱浩与同学们又根据当时的气象情况和首次发射状况进行紧急计算后,调整了剩下两枚火箭的发射角度,又将之分别以67度和80度的仰角送上了蓝天,成功实现了三箭连发的壮举。

  “发射成功!”酒泉发射中心指挥人员宣布道。此刻,发射指挥大楼3层的观测平台上,指挥中心的工作人员与部队官兵、北京航空航天大学的领导和师生们顿时欢呼一片,尤其是参与研制的朱浩、薛松柏等同学,更是激动得相互拥抱。虽然由14名在校本科学生所设计的三枚“北航1号”不是最新的,也不是最难的,而且三枚火箭中,有4个项目测试成功,由于选用民用电子元件未能保证工作状态的稳定性而使得1个项目测试失败,回收装置最后也没能打开。但是“北航1号”却是中国在校大学生亲手设计的,是14个本科生赋予了它的生命!

  2007年3月2日,在北京航空航天大学新学期的开学典礼上,学校宣传部、学生处以及校团委又对上学期的优秀学生进行了表彰,为这14位同学颁发了有校长亲笔签名的“优秀学生”特别奖证书。校长李未表示:在朱浩等14名本科同学独立研制火箭成功之后,学校会继续支持在校学生研制相对于“北航1号”来说技术上更先进的探空火箭。

 
   
 
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