長征六號改是我國首型固體捆綁中型運載火箭，首飛取得圓滿成功標(biāo)志著我國新一代運載火箭家族再添新成員，進一步完善了我國新一代運載火箭的型譜建設(shè)。

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

中國航天科技集團八院長征六號改運載火箭總指揮洪剛介紹說，長征六號改運載火箭成功首飛實現(xiàn)了我國固體捆綁等一系列技術(shù)新突破，推動新一代運載火箭邁向更高效、更智能、更安全，為我國新一代運載火箭的創(chuàng)新發(fā)展奠定了堅實基礎(chǔ)。

本文圖均為 中國航天科技集團八院 圖

長六改火箭為何選擇“混動模式”

長征六號改運載火箭（以下簡稱：長六改火箭）外形上最大的特點是捆綁4個助推器，但與以往長征火箭捆綁液體火箭助推器不同，長六改捆綁的是固體火箭助推器，直徑2米，由中國航天科技集團四院研制。火箭芯一、二級直徑為3.35米，一級采用兩臺120噸推力的液氧/煤油發(fā)動機，二級采用一臺推力18噸的液氧/煤油發(fā)動機，火箭總長約50米。澎湃的動力能讓530噸重的火箭順利升空，將至少4噸重的載荷送上700公里的太陽同步軌道。

長六改火箭作為我國第一型“混合動力”的新一代長征系列運載火箭，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，長六改為何選擇“混合動力”呢？

長六改火箭之所以選擇固體助推器加液體芯級的“混合動力”模式，主要是因為兩種類型發(fā)動機的各有優(yōu)勢，固體發(fā)動機具有結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、推力大和長時間儲存等優(yōu)勢，而液體發(fā)動機具有工作時間長、性能高的優(yōu)勢，組合在一起可實現(xiàn)運載火箭動力系統(tǒng)技術(shù)性與經(jīng)濟性的完美結(jié)合。

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

長六改火箭上配備的助推器每枚助推推力可達120噸，采用分段式結(jié)構(gòu)。“固體發(fā)動機要達到更大推力，必須掌握分段式發(fā)動機技術(shù)才行！”中國航天科技集團有限公司四院長六改固體發(fā)動機總設(shè)計師王健儒指出。分段式固體發(fā)動機具有推力大、工作時間長，結(jié)構(gòu)尺寸大等特點，是運載火箭實現(xiàn)大起飛推力的有效途徑。同時，采用分段技術(shù)，可大幅降低發(fā)動機技術(shù)難度、研制條件、運輸?shù)入y度以及研制成本。

固體助推器加液體芯級的“混合動力”模式優(yōu)點很多，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)。為了克服在飛行過程中固液發(fā)動機聯(lián)合工作帶來的復(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)計方法體系和氣固兩相噴流底部熱環(huán)境預(yù)示模型，國內(nèi)首次定量描述了聲致振動特性，通過精準(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”后與芯級安全分離是火箭飛行過程中最關(guān)鍵的分離程序之一。為了實現(xiàn)在惡劣的力熱環(huán)境、發(fā)動機后效推力、氣動阻力等復(fù)雜干擾情況下，確保助推器和芯級安全的分離，研制團隊合理選擇分離動力源并優(yōu)化布局，結(jié)合分離時序等設(shè)計，消除了眾多干擾因素對分離的影響，確保助推器分得開、分得穩(wěn)。同時，在研制階段，長六改火箭還成功實施了3次固體助推捆綁地面分離試驗，進一步驗證了助推分離技術(shù)方案的正確性。

長六改火箭在飛行過程中，芯級與助推器發(fā)動機都要擺動，共同參加火箭的姿態(tài)控制，但由于兩種發(fā)動機的特點不同、伺服機構(gòu)的動態(tài)特性不同，芯級與助推器之間勢必存在相互干擾，對火箭的穩(wěn)定飛行會帶來不利影響。為此，長六改火箭創(chuàng)新性采用聯(lián)合搖擺控制方案，通過優(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)動機的加持，火箭可能會面臨“空中大剎車”的局面。為此，火箭控制系統(tǒng)會在助推分離前對固體發(fā)動機的工作狀態(tài)進行智能監(jiān)測，將整箭控制策略從最初的聯(lián)合擺動控制平穩(wěn)過渡到芯級單獨控制，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)助力長六改

距離長六改火箭的首飛還有4小時，在測控發(fā)射大廳里，中國航天科技集團有限公司八院長六改試驗隊員正在有序推進火箭發(fā)射前的各項加注以及測試工作。與以往運載火箭發(fā)射不同，此時，前端塔架上所有操作人員早已安全撤離?；鸺l(fā)射前的所有工作都將通過測控發(fā)射大廳實現(xiàn)遠(yuǎn)程控制。這就是長六改火箭無人值守技術(shù)帶來的發(fā)射場景。

“智能機械臂”是無人值守技術(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)場手動對接、自動脫落的方式，而長六改火箭打造的地面發(fā)射支持系統(tǒng)則將火箭芯一級的加泄連接器升級為一款可自動對接的“智能機械臂”，以“一臂之力”實現(xiàn)了我國運載火箭的首次智能化對接加注。

這是一只“長了大腦和眼睛”的機械臂。比如在火箭加注前，會因為載荷變化或風(fēng)力的影響產(chǎn)生隨機晃動，那在火箭“隨風(fēng)搖曳”的狀態(tài)下，怎么才能讓機械臂對得準(zhǔn)呢？中國航天科技集團有限公司八院805所設(shè)計師歷時4年攻關(guān)，通過跨學(xué)科鉆研，賦予了機械臂自主學(xué)習(xí)和空間姿態(tài)捕獲的能力，讓它像長了“大腦和眼睛”一樣，具備了動態(tài)測量、實時跟蹤的本事，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，長六改火箭的二級加泄連接器、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)也為實現(xiàn)火箭發(fā)射前4小時全體工作人員從發(fā)射塔架撤離提供了保障。

長六改火箭還配備了“健康管理”，讓火箭更智能。與常規(guī)的運載火箭點火流程不同，火箭發(fā)射時，長六改火箭芯一級發(fā)動機先點火，4個固體發(fā)動機助推器再點火。

固體發(fā)動機雖然工作可靠、使用維護簡單，但卻存在一旦點火就無法實施緊急關(guān)機的情況；相反，火箭芯級采用的液體發(fā)動機則可以通過緊急關(guān)機系統(tǒng)實現(xiàn)關(guān)機。因此，在固體助推器點火為長六改火箭提供強大起飛推力前，需要對火箭芯級液體發(fā)動機的健康狀態(tài)進行診斷，在確保芯級發(fā)動機健康無虞的前提下，固體助推器才執(zhí)行點火程序。

那如何在發(fā)射前為火箭發(fā)動機做一次全面的健康檢查？長六改火箭的設(shè)計師們?yōu)榛鸺疽患壍囊后w發(fā)動機配置了一位“健康管家”，即發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)。但“打鐵還需自身硬”，這位“健康管家”要在極短的時間內(nèi)對液體發(fā)動機啟動后的工作狀態(tài)進行準(zhǔn)確無誤地判斷，還不能因自身故障把正常工作的發(fā)動機誤關(guān)機，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)萬無一失。

據(jù)設(shè)計師介紹，目前國內(nèi)尚無在火箭發(fā)射中應(yīng)用發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)的先例，此次發(fā)射任務(wù)的成功進一步驗證了健康診斷系統(tǒng)方案設(shè)計的正確性以及工程應(yīng)用的可靠性。

“混動火箭”“智能診斷”“無人值守”等一系列技術(shù)突破成功助力了長六改火箭首飛，面對后續(xù)高密度發(fā)射的形勢，洪剛表示，長六改火箭將持續(xù)深化科研生產(chǎn)模式轉(zhuǎn)型，包括對研制生產(chǎn)流程進一步優(yōu)化，深度對標(biāo)精益管理的各項要求，大力推進數(shù)字化應(yīng)用打通設(shè)計生產(chǎn)協(xié)調(diào)等具體措施，提升新一代運載火箭的可靠性、安全性、智能化水平。

洪剛介紹說，長六改火箭采用模塊化、組合化、系列化發(fā)展途徑，通過助推器的調(diào)整，可形成單芯級、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構(gòu)型，形成運載能力覆蓋范圍廣、梯度合理，性價比高的運載火箭系列，滿足未來衛(wèi)星多樣化的密集發(fā)射需求。