長(zhǎng)征六號(hào)改是我國(guó)首型固體捆綁中型運(yùn)載火箭，首飛取得圓滿成功標(biāo)志著我國(guó)新一代運(yùn)載火箭家族再添新成員，進(jìn)一步完善了我國(guó)新一代運(yùn)載火箭的型譜建設(shè)。

3月29日，我國(guó)首型固體捆綁中型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征六號(hào)改在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，順利將浦江二號(hào)衛(wèi)星和天鯤二號(hào)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。

中國(guó)航天科技集團(tuán)八院長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭總指揮洪剛介紹說(shuō)，長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭成功首飛實(shí)現(xiàn)了我國(guó)固體捆綁等一系列技術(shù)新突破，推動(dòng)新一代運(yùn)載火箭邁向更高效、更智能、更安全，為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭的創(chuàng)新發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

本文圖均為 中國(guó)航天科技集團(tuán)八院 圖

長(zhǎng)六改火箭為何選擇“混動(dòng)模式”

長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭（以下簡(jiǎn)稱：長(zhǎng)六改火箭）外形上最大的特點(diǎn)是捆綁4個(gè)助推器，但與以往長(zhǎng)征火箭捆綁液體火箭助推器不同，長(zhǎng)六改捆綁的是固體火箭助推器，直徑2米，由中國(guó)航天科技集團(tuán)四院研制。火箭芯一、二級(jí)直徑為3.35米，一級(jí)采用兩臺(tái)120噸推力的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)采用一臺(tái)推力18噸的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，火箭總長(zhǎng)約50米。澎湃的動(dòng)力能讓530噸重的火箭順利升空，將至少4噸重的載荷送上700公里的太陽(yáng)同步軌道。

長(zhǎng)六改火箭作為我國(guó)第一型“混合動(dòng)力”的新一代長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭，在技術(shù)難度高、系統(tǒng)復(fù)雜的航天領(lǐng)域也玩了一把跨界。那么，長(zhǎng)六改為何選擇“混合動(dòng)力”呢？

長(zhǎng)六改火箭之所以選擇固體助推器加液體芯級(jí)的“混合動(dòng)力”模式，主要是因?yàn)閮煞N類型發(fā)動(dòng)機(jī)的各有優(yōu)勢(shì)，固體發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、可靠性高、推力大和長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存等優(yōu)勢(shì)，而液體發(fā)動(dòng)機(jī)具有工作時(shí)間長(zhǎng)、性能高的優(yōu)勢(shì)，組合在一起可實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的完美結(jié)合。

隨著空間裝備和空間活動(dòng)、深空探測(cè)技術(shù)的不斷發(fā)展，世界主要航天大國(guó)都在致力于加快發(fā)展捆綁固體助推器的大型運(yùn)載火箭技術(shù)。比如法國(guó)的“阿里安”-5、美國(guó)的“宇宙神”-5火箭都采用這種構(gòu)型，美國(guó)即將發(fā)射的重型運(yùn)載火箭SLS也采用固體助推器加液體芯級(jí)的“混合動(dòng)力”模式。

長(zhǎng)六改火箭上配備的助推器每枚助推推力可達(dá)120噸，采用分段式結(jié)構(gòu)?！肮腆w發(fā)動(dòng)機(jī)要達(dá)到更大推力，必須掌握分段式發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)才行！”中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司四院長(zhǎng)六改固體發(fā)動(dòng)機(jī)總設(shè)計(jì)師王健儒指出。分段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)具有推力大、工作時(shí)間長(zhǎng)，結(jié)構(gòu)尺寸大等特點(diǎn)，是運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)大起飛推力的有效途徑。同時(shí)，采用分段技術(shù)，可大幅降低發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)難度、研制條件、運(yùn)輸?shù)入y度以及研制成本。

固體助推器加液體芯級(jí)的“混合動(dòng)力”模式優(yōu)點(diǎn)很多，但技術(shù)難度也不小，必須突破固體助推器捆綁與分離技術(shù)、捆綁點(diǎn)大集中力擴(kuò)散技術(shù)、固液捆綁聯(lián)合搖擺控制等關(guān)鍵技術(shù)。為了克服在飛行過(guò)程中固液發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作帶來(lái)的復(fù)雜力、熱環(huán)境，為此研制人員建立了全面完整的捆綁火箭力學(xué)環(huán)境條件設(shè)計(jì)方法體系和氣固兩相噴流底部熱環(huán)境預(yù)示模型，國(guó)內(nèi)首次定量描述了聲致振動(dòng)特性，通過(guò)精準(zhǔn)預(yù)示和控制措施，有效確保了“乘客”的乘坐舒適性。

作為一枚捆綁火箭，助推器完成“使命”后與芯級(jí)安全分離是火箭飛行過(guò)程中最關(guān)鍵的分離程序之一。為了實(shí)現(xiàn)在惡劣的力熱環(huán)境、發(fā)動(dòng)機(jī)后效推力、氣動(dòng)阻力等復(fù)雜干擾情況下，確保助推器和芯級(jí)安全的分離，研制團(tuán)隊(duì)合理選擇分離動(dòng)力源并優(yōu)化布局，結(jié)合分離時(shí)序等設(shè)計(jì)，消除了眾多干擾因素對(duì)分離的影響，確保助推器分得開(kāi)、分得穩(wěn)。同時(shí)，在研制階段，長(zhǎng)六改火箭還成功實(shí)施了3次固體助推捆綁地面分離試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了助推分離技術(shù)方案的正確性。

長(zhǎng)六改火箭在飛行過(guò)程中，芯級(jí)與助推器發(fā)動(dòng)機(jī)都要擺動(dòng)，共同參加火箭的姿態(tài)控制，但由于兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)不同、伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性不同，芯級(jí)與助推器之間勢(shì)必存在相互干擾，對(duì)火箭的穩(wěn)定飛行會(huì)帶來(lái)不利影響。為此，長(zhǎng)六改火箭創(chuàng)新性采用聯(lián)合搖擺控制方案，通過(guò)優(yōu)化不同飛行階段的擺角分配策略，克服了火箭在飛行過(guò)程受到的諸多干擾，讓火箭優(yōu)雅端莊、信步蒼穹。

在固體助推器分離的瞬間，失去了大推力固體發(fā)動(dòng)機(jī)的加持，火箭可能會(huì)面臨“空中大剎車”的局面。為此，火箭控制系統(tǒng)會(huì)在助推分離前對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)進(jìn)行智能監(jiān)測(cè)，將整箭控制策略從最初的聯(lián)合擺動(dòng)控制平穩(wěn)過(guò)渡到芯級(jí)單獨(dú)控制，從而最大程度地保證了火箭拋助推前后的穩(wěn)定飛行。

一系列新技術(shù)助力長(zhǎng)六改

距離長(zhǎng)六改火箭的首飛還有4小時(shí)，在測(cè)控發(fā)射大廳里，中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司八院長(zhǎng)六改試驗(yàn)隊(duì)員正在有序推進(jìn)火箭發(fā)射前的各項(xiàng)加注以及測(cè)試工作。與以往運(yùn)載火箭發(fā)射不同，此時(shí)，前端塔架上所有操作人員早已安全撤離。火箭發(fā)射前的所有工作都將通過(guò)測(cè)控發(fā)射大廳實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。這就是長(zhǎng)六改火箭無(wú)人值守技術(shù)帶來(lái)的發(fā)射場(chǎng)景。

“智能機(jī)械臂”是無(wú)人值守技術(shù)中的關(guān)鍵設(shè)備。在常規(guī)的火箭發(fā)射流程中，加泄連接器一般采用人工現(xiàn)場(chǎng)手動(dòng)對(duì)接、自動(dòng)脫落的方式，而長(zhǎng)六改火箭打造的地面發(fā)射支持系統(tǒng)則將火箭芯一級(jí)的加泄連接器升級(jí)為一款可自動(dòng)對(duì)接的“智能機(jī)械臂”，以“一臂之力”實(shí)現(xiàn)了我國(guó)運(yùn)載火箭的首次智能化對(duì)接加注。

這是一只“長(zhǎng)了大腦和眼睛”的機(jī)械臂。比如在火箭加注前，會(huì)因?yàn)檩d荷變化或風(fēng)力的影響產(chǎn)生隨機(jī)晃動(dòng)，那在火箭“隨風(fēng)搖曳”的狀態(tài)下，怎么才能讓機(jī)械臂對(duì)得準(zhǔn)呢？中國(guó)航天科技集團(tuán)有限公司八院805所設(shè)計(jì)師歷時(shí)4年攻關(guān)，通過(guò)跨學(xué)科鉆研，賦予了機(jī)械臂自主學(xué)習(xí)和空間姿態(tài)捕獲的能力，讓它像長(zhǎng)了“大腦和眼睛”一樣，具備了動(dòng)態(tài)測(cè)量、實(shí)時(shí)跟蹤的本事，可以確保在雨、雪、霧等復(fù)雜天氣環(huán)境中準(zhǔn)確獲取目標(biāo)位置。

此外，長(zhǎng)六改火箭的二級(jí)加泄連接器、衛(wèi)星整流罩空調(diào)送風(fēng)連接器均采用零秒脫落技術(shù)也為實(shí)現(xiàn)火箭發(fā)射前4小時(shí)全體工作人員從發(fā)射塔架撤離提供了保障。

長(zhǎng)六改火箭還配備了“健康管理”，讓火箭更智能。與常規(guī)的運(yùn)載火箭點(diǎn)火流程不同，火箭發(fā)射時(shí)，長(zhǎng)六改火箭芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)先點(diǎn)火，4個(gè)固體發(fā)動(dòng)機(jī)助推器再點(diǎn)火。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)雖然工作可靠、使用維護(hù)簡(jiǎn)單，但卻存在一旦點(diǎn)火就無(wú)法實(shí)施緊急關(guān)機(jī)的情況；相反，火箭芯級(jí)采用的液體發(fā)動(dòng)機(jī)則可以通過(guò)緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)。因此，在固體助推器點(diǎn)火為長(zhǎng)六改火箭提供強(qiáng)大起飛推力前，需要對(duì)火箭芯級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，在確保芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)健康無(wú)虞的前提下，固體助推器才執(zhí)行點(diǎn)火程序。

那如何在發(fā)射前為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)做一次全面的健康檢查？長(zhǎng)六改火箭的設(shè)計(jì)師們?yōu)榛鸺疽患?jí)的液體發(fā)動(dòng)機(jī)配置了一位“健康管家”，即發(fā)動(dòng)機(jī)健康診斷系統(tǒng)。但“打鐵還需自身硬”，這位“健康管家”要在極短的時(shí)間內(nèi)對(duì)液體發(fā)動(dòng)機(jī)啟動(dòng)后的工作狀態(tài)進(jìn)行準(zhǔn)確無(wú)誤地判斷，還不能因自身故障把正常工作的發(fā)動(dòng)機(jī)誤關(guān)機(jī)，導(dǎo)致火箭發(fā)射推遲，真正做到快速診斷、準(zhǔn)確判斷，保證發(fā)射任務(wù)萬(wàn)無(wú)一失。

據(jù)設(shè)計(jì)師介紹，目前國(guó)內(nèi)尚無(wú)在火箭發(fā)射中應(yīng)用發(fā)動(dòng)機(jī)健康診斷系統(tǒng)的先例，此次發(fā)射任務(wù)的成功進(jìn)一步驗(yàn)證了健康診斷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的正確性以及工程應(yīng)用的可靠性。

“混動(dòng)火箭”“智能診斷”“無(wú)人值守”等一系列技術(shù)突破成功助力了長(zhǎng)六改火箭首飛，面對(duì)后續(xù)高密度發(fā)射的形勢(shì)，洪剛表示，長(zhǎng)六改火箭將持續(xù)深化科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，包括對(duì)研制生產(chǎn)流程進(jìn)一步優(yōu)化，深度對(duì)標(biāo)精益管理的各項(xiàng)要求，大力推進(jìn)數(shù)字化應(yīng)用打通設(shè)計(jì)生產(chǎn)協(xié)調(diào)等具體措施，提升新一代運(yùn)載火箭的可靠性、安全性、智能化水平。

洪剛介紹說(shuō)，長(zhǎng)六改火箭采用模塊化、組合化、系列化發(fā)展途徑，通過(guò)助推器的調(diào)整，可形成單芯級(jí)、捆綁2臺(tái)固體助推器、捆綁4臺(tái)固體助推器、捆綁通用芯級(jí)等多種構(gòu)型，形成運(yùn)載能力覆蓋范圍廣、梯度合理，性價(jià)比高的運(yùn)載火箭系列，滿足未來(lái)衛(wèi)星多樣化的密集發(fā)射需求。