長(cháng)征六號改運載火箭首飛成功 我國航天固體動(dòng)力技術(shù)實(shí)現重大突破 不同凡響的“混動(dòng)版”火箭

　　本報記者 柴雅欣

　　長(cháng)征家族再“添丁”！3月29日17時(shí)50分，長(cháng)征六號改運載火箭(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(cháng)六改運載火箭”)在太原衛星發(fā)射中心升空，搭載發(fā)射的浦江二號和天鯤二號衛星順利進(jìn)入預定軌道，首飛任務(wù)取得圓滿(mǎn)成功。長(cháng)征六號改運載火箭是我國新一代無(wú)毒無(wú)污染運載火箭，是我國首型固體捆綁運載火箭，用于發(fā)射太陽(yáng)同步軌道衛星。

　　“作為我國首型‘混合動(dòng)力’的新一代長(cháng)征系列運載火箭，長(cháng)六改運載火箭成功首飛，實(shí)現了固體捆綁等一系列技術(shù)新突破，推動(dòng)新一代運載火箭邁向更高效、更智能、更安全的發(fā)展路徑。”中國航天科技集團第八研究院長(cháng)六改運載火箭總指揮洪剛說(shuō)。

　　1 “固液混合”更高效

　　我國運載火箭領(lǐng)域固液發(fā)動(dòng)機首次“跨界合作”

　　這次任務(wù)是長(cháng)征系列運載火箭的第412次發(fā)射。長(cháng)六改運載火箭誕生前，我國現役運載火箭中只有單純以固體發(fā)動(dòng)機或液體發(fā)動(dòng)機作為推力的運載火箭，固液“混動(dòng)版”尚無(wú)先例。

　　火箭全箭總長(cháng)約50米，起飛重量約530噸，700公里太陽(yáng)同步軌道運載能力不小于4噸。據介紹，長(cháng)六改運載火箭的芯級采用液氧煤油發(fā)動(dòng)機，其中，芯一級采用兩臺120噸推力的液氧煤油發(fā)動(dòng)機，芯二級采用一臺推力18噸的液氧煤油發(fā)動(dòng)機；芯級捆綁了4臺以固體燃料為動(dòng)力的發(fā)動(dòng)機作為助推器，為全箭提供了近70%的推力。它首次實(shí)現了我國運載火箭領(lǐng)域固液發(fā)動(dòng)機的“跨界合作”，突破了固體助推器捆綁與分離技術(shù)、捆綁點(diǎn)大集中力擴散技術(shù)、固液捆綁聯(lián)合搖擺控制等關(guān)鍵技術(shù)。

　　固體助推發(fā)動(dòng)機由中國航天科技集團四院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“四院”)研制。據四院專(zhuān)家介紹，首飛成功標志著(zhù)固體動(dòng)力進(jìn)入了我國主流運載火箭領(lǐng)域，實(shí)現了我國航天固體動(dòng)力技術(shù)的重大突破。

　　目前，我國運載火箭以液體動(dòng)力為主，那長(cháng)六改運載火箭選擇捆綁固體助推發(fā)動(dòng)機的原因是什么？

　　從本身性能看，固體火箭動(dòng)力系統結構相對簡(jiǎn)單，發(fā)動(dòng)機本身就是一個(gè)推力室，固體推進(jìn)劑預裝在發(fā)動(dòng)機燃燒室內。火箭運送到發(fā)射場(chǎng)，測試完成后即可實(shí)施發(fā)射，不用在發(fā)射場(chǎng)提前多天加注燃料和氧化劑，也不需要大量地面設備、資源進(jìn)行配合與保障，發(fā)射準備周期更短。

　　固體發(fā)動(dòng)機推力大、簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，在長(cháng)六改運載火箭上也體現得淋漓盡致。火箭芯級捆綁了4臺固體助推發(fā)動(dòng)機，單臺助推推力可達120噸，由此刷新了長(cháng)征系列運載火箭最快的“起跑”紀錄。

　　對于龐大的火箭發(fā)射系統而言，零件數量更少的固體動(dòng)力系統，在可靠性和機動(dòng)性方面有先天優(yōu)勢。借助固體發(fā)動(dòng)機結構相對簡(jiǎn)單、部組件少、可靠性高、操作維護方便、貯存時(shí)間長(cháng)的優(yōu)勢，長(cháng)六改運載火箭箭上管路系統減少55%，使得固體助推器在發(fā)射場(chǎng)直接安裝、火箭14天快速發(fā)射成為現實(shí)。

　　從應用場(chǎng)景看，近年來(lái)小衛星市場(chǎng)蓬勃發(fā)展，軍事航天等領(lǐng)域對快速進(jìn)入空間的需求不斷增加。固體動(dòng)力運載火箭具有快速響應、機動(dòng)性強、成本低等特點(diǎn)，由此成為世界主要航天大國發(fā)展的一大重點(diǎn)。

　　2010年初，長(cháng)六改運載火箭正式啟動(dòng)方案論證工作。綜合技術(shù)發(fā)展趨勢和國內的研究現狀，長(cháng)六改運載火箭從論證之初便確定了采用固體捆綁的總體思路，即采用液體芯級捆綁固體助推構型。

　　跨界合作，優(yōu)勢互補。在運載火箭動(dòng)力系統中，液體發(fā)動(dòng)機推力穩、性能高、工作時(shí)間長(cháng)，而固體發(fā)動(dòng)機推力大、響應快、工作可靠、使用維護簡(jiǎn)單，可以免去在發(fā)射場(chǎng)復雜的加注流程。長(cháng)六改運載火箭充分發(fā)揮二者的綜合優(yōu)勢，大幅提升我國進(jìn)入空間、利用空間、探索空間的能力。

　　“火箭采用模塊化、組合化、系列化發(fā)展途徑，通過(guò)增減助推器數量，可獲得單芯級、捆綁2臺固體助推器、捆綁4臺固體助推器、捆綁通用芯級等多種變體構型，靈活實(shí)現各種推力需要，形成運載能力覆蓋范圍廣、梯度合理，性?xún)r(jià)比高的運載火箭系列，滿(mǎn)足未來(lái)衛星多樣化的密集發(fā)射需求。”洪剛說(shuō)。

　　2 “健康管家”更智能

　　發(fā)動(dòng)機健康診斷系統為安全發(fā)射保駕護航

　　固體發(fā)動(dòng)機雖然工作可靠、使用維護簡(jiǎn)單，但存在一個(gè)“隱患”：一旦點(diǎn)火，哪怕遇到特殊情況也無(wú)法實(shí)施緊急關(guān)機。火箭芯級采用的液體發(fā)動(dòng)機，則能夠通過(guò)緊急關(guān)機系統實(shí)現關(guān)機。因此，在固體助推器點(diǎn)火為長(cháng)六改運載火箭提供強大起飛推力前，需要精確診斷火箭芯級液體發(fā)動(dòng)機的健康狀態(tài)。只有確保芯級發(fā)動(dòng)機健康無(wú)虞，固體助推器才能放心執行點(diǎn)火程序。

　　那么，在火箭發(fā)射前，如何為發(fā)動(dòng)機做一次全面的健康檢查？長(cháng)六改運載火箭的設計師們?yōu)榛鸺疽患壍囊后w發(fā)動(dòng)機配置了一位快、準、穩的“健康管家”，即發(fā)動(dòng)機健康診斷系統。據了解，目前國內尚無(wú)在火箭發(fā)射中應用發(fā)動(dòng)機健康診斷系統的先例，此次發(fā)射任務(wù)的成功，進(jìn)一步驗證了健康診斷系統方案設計的正確性和工程應用的可靠性。

　　快。芯級發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火后，發(fā)動(dòng)機健康診斷系統開(kāi)始工作，此時(shí)固體助推器尚未點(diǎn)火，4臺助推器的重量將整個(gè)火箭牢牢固定在發(fā)射臺上。健康診斷系統診斷芯級發(fā)動(dòng)機健康狀態(tài)僅需0.3秒，便可決定發(fā)射進(jìn)程能否繼續。之所以如此迅速，是因為倘若診斷時(shí)間過(guò)長(cháng)，會(huì )持續消耗發(fā)動(dòng)機推進(jìn)劑，從而影響火箭運載能力。

　　其實(shí)，我國液體運載火箭都有一套緊急關(guān)機系統，這套系統通常設置在地面機柜中，一旦遇到緊急情況，地面設備可以發(fā)出關(guān)機指令。但是這次，長(cháng)六改運載火箭設計師把這套系統搬到了火箭上。這個(gè)經(jīng)集成化、小型化設計后的系統，雖然僅有一本書(shū)大小，但芯片運算能力強大，能夠快速精準采集發(fā)動(dòng)機參數并進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。在芯級液體發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火后的2.5秒，健康診斷系統進(jìn)入發(fā)動(dòng)機診斷窗口；2.5-2.8秒，在短短的0.3秒內，這位“健康管家”完成對發(fā)動(dòng)機健康狀況的診斷，一旦發(fā)現非正常的突發(fā)狀況，健康診斷系統將立刻實(shí)施自動(dòng)緊急關(guān)機，同時(shí)助推器的固體發(fā)動(dòng)機將不再點(diǎn)火。

　　準。海量數據分析是準確判斷的基礎，長(cháng)六改運載火箭的設計師們聯(lián)合發(fā)動(dòng)機系統，詳細研究發(fā)動(dòng)機健康診斷系統參數，從幾萬(wàn)秒的試車(chē)數據中尋找規律，確定健康診斷系統的診斷算法，并進(jìn)行上百次仿真驗證，在確保發(fā)動(dòng)機不發(fā)生誤關(guān)機的同時(shí)，盡早發(fā)現故障。

　　穩。火箭芯級發(fā)動(dòng)機為低溫液氧煤油發(fā)動(dòng)機，液氧的溫度為零下183℃，哪怕在設計師提供的“隔水隔熱服”的保護下，健康診斷系統周?chē)沫h(huán)境依然在零下40℃；發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火后，周?chē)臏囟润E升為130℃，且伴隨著(zhù)強烈振動(dòng)，工作環(huán)境極其惡劣。為此，型號團隊根據火箭起飛時(shí)刻的環(huán)境進(jìn)行了大量驗證試驗，從零下40℃到130℃、高強度沖擊、電磁兼容試驗、1000余次強化考核……產(chǎn)品一次次地改進(jìn)、試驗，終于練就了能適應“冰火兩重天”的發(fā)動(dòng)機健康診斷系統。

　　3 “無(wú)人值守”更安全

　　無(wú)人值守技術(shù)實(shí)現我國運載火箭領(lǐng)域的三個(gè)“首次”

　　3月29日13時(shí)50分，距長(cháng)六改運載火箭首飛還有4小時(shí)，太原衛星發(fā)射中心測控發(fā)射大廳里，長(cháng)六改運載火箭試驗隊員正在有序推進(jìn)火箭發(fā)射前的各項加注及測試工作。不過(guò)，與以往火箭發(fā)射情形不同，此時(shí)前端塔架上所有操作人員早已安全撤離，后續發(fā)射流程都將通過(guò)測控發(fā)射大廳實(shí)現遠程控制——這是長(cháng)六改運載火箭無(wú)人值守技術(shù)帶來(lái)的改變。

　　這是我國運載火箭無(wú)人值守技術(shù)的首次亮相。長(cháng)六改運載火箭無(wú)人值守技術(shù)實(shí)現了我國運載火箭領(lǐng)域的三個(gè)“首次”：首次采用自動(dòng)對接加注技術(shù)，可實(shí)現遠程全流程推進(jìn)劑自動(dòng)加注；首次采用零秒脫落技術(shù)，火箭箭地連接器在起飛瞬間自動(dòng)脫落；首次實(shí)現推進(jìn)劑加注開(kāi)始后，發(fā)射場(chǎng)前端無(wú)人員值守。

　　“長(cháng)六改運載火箭實(shí)現了發(fā)射前4個(gè)小時(shí)全體工作人員從發(fā)射塔架撤離，相比常規運載火箭發(fā)射流程提前了近3.5個(gè)小時(shí)。”洪剛說(shuō)，為此他們全面梳理電氣、動(dòng)力及箭地操作各方面的射前工作流程，提出了配合流程優(yōu)化的一級加注連接器自動(dòng)對接和脫落、二級加注連接器和整流罩空調送風(fēng)連接器起飛零秒脫落等多項創(chuàng )新技術(shù)，最終實(shí)現了長(cháng)六改運載火箭的“無(wú)人值守”，充分保障了最后一批撤離塔架的前方試驗隊員的安全。

　　加泄連接器，是運載火箭在加注或泄出推進(jìn)劑時(shí)，箭上系統與地面支持系統之間的連接設備。在常規的火箭發(fā)射流程中，加泄連接器一般采用人工現場(chǎng)手動(dòng)對接、自動(dòng)脫落的方式，而長(cháng)六改運載火箭打造的地面發(fā)射支持系統，將火箭芯一級的加泄連接器升級為一款可自動(dòng)對接的“智能機械臂”，以“一臂之力”實(shí)現了我國運載火箭的首次智能化對接加注。

　　火箭加注前，會(huì )因為載荷變化或風(fēng)力的影響產(chǎn)生隨機晃動(dòng)。在火箭“隨風(fēng)搖曳”的狀態(tài)下，怎么才能讓機械臂對得準呢？八院805所設計師歷時(shí)4年攻關(guān)，賦予了機械臂自主學(xué)習和空間姿態(tài)捕獲的能力，讓它像長(cháng)了“大腦和眼睛”一樣，具備了動(dòng)態(tài)測量、實(shí)時(shí)跟蹤的本事，可以確保在雨、雪、霧等復雜天氣環(huán)境中準確獲取目標位置。