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智慧發(fā)射，固液混動——航天發(fā)射譜寫新篇章

2022 年3 月29 日17 時50 分，我國首型固液混動捆綁運載火箭長征六號改在太原衛(wèi)星發(fā)射中心建設的首個“智慧發(fā)射場”首次投入使用，實現(xiàn)了我國航天發(fā)射史上的重大突破！她具體體現(xiàn)為兩大突破：即實現(xiàn)了“智慧發(fā)射”——從火箭加注到發(fā)射過程的遠程操控和無人值守；實現(xiàn)了“固液混動”——我國運載火箭首型固液混合動力的捆綁發(fā)射。

長征六號改運載火箭發(fā)射成功后，太原衛(wèi)星發(fā)射中心承擔此次發(fā)射任務的相關負責人指出，“智慧發(fā)射場系統(tǒng)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心某新型工位首次亮相，它的研發(fā)既為我國智慧發(fā)射場建設探索了一條新路，也為后續(xù)的發(fā)射場現(xiàn)代化建設奠定了堅實的基礎。”

由中國航天科技集團八院抓總研制的我國首型固混動力運載火箭——長征六號改成功地將兩顆衛(wèi)星送入預定軌道后，相關負責人指出，作為我國新一代同時也是首型“固液混合動力”長征系列運載火箭，長征六號改在技術難度高、系統(tǒng)復雜的航天領域也算是“玩”了一把跨界，充分發(fā)揮了液體發(fā)動機性能高、工作時間長和固體發(fā)動機推力大、工作可靠、使用維護簡單的綜合優(yōu)勢，并在芯級固體捆綁上進一步完善了運載火箭型譜，大幅提升了我國進入、利用和探索空間的能力。

“超級大腦”研發(fā)成功標志著中國航天有了智慧發(fā)射場

在太原衛(wèi)星發(fā)射中心某新型工位成功發(fā)射長征六號改運載火箭，也是中國航天發(fā)射史上一次新的跨越。與傳統(tǒng)發(fā)射相比，具有“超級大腦”的智慧發(fā)射場真正實現(xiàn)了快速準備和一鍵發(fā)射，崗位人員比以往減少了一半以上，單發(fā)任務流程最短可縮減至14天，更加適應高密度發(fā)射和應急發(fā)射任務。

據(jù)承擔“超級大腦”研制任務的太原衛(wèi)星發(fā)射中心技術部科研團隊相關負責人介紹，實現(xiàn)航天發(fā)射場從數(shù)據(jù)化、信息化向數(shù)字化、智慧化轉變，是我國從航天大國向航天強國跨越的必由之路。該新型發(fā)射工位采用多種自主可控的先進技術和算法，使信息化、智能化水平大幅提升?！皹嫿ㄖ腔郯l(fā)射場，國內尚屬首次，自主研發(fā)智慧發(fā)射場系統(tǒng)更是首次，在我國航天領域極具開創(chuàng)性?！碧l(wèi)星發(fā)射中心正是從這樣的戰(zhàn)略高度出發(fā)，組織研發(fā)團隊刻苦攻關。這些科研人員在短短幾年時間里，真可謂宵衣旰食、夙興夜寐，攻克了多道技術難關，最終圓滿完成任務。

智慧發(fā)射場系統(tǒng)的“超級大腦”涵蓋了對相關信息的采集和匯聚、分析和處理、交換和共享管理等功能，它的研發(fā)不僅能夠大幅提高對各類基礎信息的使用和綜合處理能力。同時，它也是發(fā)射場實現(xiàn)數(shù)字化轉型、智能化升級最為重要的抓手。這次實體發(fā)射正是在“超級大腦”的指揮下，人們可以在大屏幕上一覽無余地看到，長六改運載火箭發(fā)射流程準確呈現(xiàn)，發(fā)射全程各項工作結果準確報告，指揮口令準確自動執(zhí)行……

談起智慧發(fā)射場系統(tǒng)，太原衛(wèi)星發(fā)射中心技術部科研人員不無感慨。業(yè)內人士深知，發(fā)射場系統(tǒng)運行復雜而有序，工種配合難度極高、專業(yè)種類分項極多、系統(tǒng)融合難度極大。而智慧發(fā)射場系統(tǒng)作為新生事物，還要考慮如何構建系統(tǒng)自運行體系，打通各專業(yè)軟件接口，實現(xiàn)外部信息系統(tǒng)數(shù)據(jù)無縫接入，實現(xiàn)新增系統(tǒng)設備無限擴展，實現(xiàn)運維、指揮、決策鏈路無縫融合……此外，工程實施采用何種構架既是研制工作的重中之重，也是決定研制工作能否順利實施的關鍵。這次實體發(fā)射證明，技術部“指揮決策信息支撐能力團隊”編制的工程建設總體方案，有效地提高了智慧發(fā)射場系統(tǒng)的數(shù)據(jù)實時性、對接便捷性和擴展無限性。

航天發(fā)射場是一個復雜的系統(tǒng)融合體。為保障火箭測試工作順利進行、火箭發(fā)射圓滿成功，地面設施設備需要協(xié)同配合工作，需要統(tǒng)一的調度指揮操作。相關技術攻關團隊經(jīng)過調研設計，采用某先進技術解決了數(shù)據(jù)融合難題，打通了各孤立系統(tǒng)之間的“信息孤島”。智慧應用場景開發(fā)團隊，以發(fā)射場設計圖紙作為基礎，利用三維建模技術進行還原，在電腦上成功搭建了發(fā)射場的物理建筑模型，直觀可視化還原內外環(huán)境，讓坐在室內的火箭發(fā)射指控人員可以“身臨其境”。透過電視畫面，國人更多地看到了承擔“超級大腦”研制任務的科研人員們那緊握的拳頭上表達的興奮。他們?yōu)樽鎳暮教焓聵I(yè)已經(jīng)譜寫了新的篇章。

首型固液體發(fā)動機捆綁運載火箭實現(xiàn)完美搭配

回顧我國運載火箭發(fā)展史，長征系列運載火箭已邁入400+發(fā)射的嶄新征程，但尚未有使用固液體發(fā)動機捆綁火箭的先例。這次在太原衛(wèi)星發(fā)射中心點火升空的我國首型固液體捆綁運載火箭長征六號改，是由中國航天科技集團八院抓總研制。長征六號改首秀就成功地將兩顆衛(wèi)星送入預定軌道，同樣也是中國航天發(fā)射史上一次新的跨越。

業(yè)內人士深知，運載火箭固體發(fā)動機具有推力大、簡單可靠的特點。這些特點，在長征六號改首秀中得到了淋漓盡致的展現(xiàn)。據(jù)中國航天科技集團八院長六改總指揮介紹，長六改的芯一級捆綁了4 臺以固體燃料為動力的助推器，單枚助推推力可達120噸，刷新了長征系列運載火箭的最快“起跑”紀錄。同時，借助固體發(fā)動機結構相對簡單、部組件少、可靠性高、操作維護方便、貯存時間長的優(yōu)勢，長六改箭上的管路系統(tǒng)減少了55%，可在發(fā)射場直接安裝固體助推器，實現(xiàn)捆綁火箭14 天快速發(fā)射。

“為了克服在飛行過程中固液發(fā)動機聯(lián)合工作帶來的復雜力和熱環(huán)境，我們建立了全面完整的捆綁火箭力學環(huán)境條件設計方法體系和氣固兩相噴流底部熱環(huán)境預示模型，并在國內首次定量描述了聲致振動特性，通過精準預示和控制措施，有效確保了衛(wèi)星‘乘客’的乘坐舒適性。”中國航天科技集團八院長六改總設計師如是說。

在長征六號改首秀中，如何使芯級與助推器既要捆得牢，又要分得開，曾經(jīng)是一道難題。據(jù)悉，長六改的捆綁連接解鎖裝置屬于“前端輔助傳力+后端主傳力”，相當于利用“肩扛+托舉”兩種力量連接起助推器與芯級。為了進一步優(yōu)化結構重量，研制團隊打造了一款輕量化捆綁連接解鎖裝置，在運載火箭停放和飛行階段下，可承受并有效傳遞軸向和徑向載荷。

不過，完成“使命”后，助推器與芯級安全分離，是捆綁火箭飛行過程中最關鍵的分離程序之一。“為了確保在惡劣的力熱環(huán)境、發(fā)動機后效推力、氣動阻力等復雜干擾情況下，助推器與芯級能夠安全分離，研制團隊合理選擇分離動力源并優(yōu)化布局，結合分離時序等設計，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)?！睋?jù)相關負責人介紹，在研制階段，長征六號改成功實施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方案的有效性。

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，長征六號改可能面臨“空中大剎車”的危險。怎么辦？研制團隊想出了妙招——助推分離前，讓火箭控制系統(tǒng)智能監(jiān)測固體發(fā)動機的工作狀態(tài)，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，從而最大限度地保證了火箭拋掉助推前后的穩(wěn)定飛行。

在飛行過程中，長征六號改的芯級與助推器發(fā)動機都要擺動，共同控制火箭的姿態(tài)。由于固液兩種發(fā)動機的特點和伺服機構的動態(tài)特性不同，芯級與助推器之間勢必存在干擾，給火箭的穩(wěn)定飛行帶來不利影響。為此，八院研制團隊開發(fā)了“智能大腦”，創(chuàng)新性地采用聯(lián)合搖擺控制方案，通過優(yōu)化不同飛行階段的擺角分配，克服了長征六號改在飛行過程中受到的諸多干擾。正是因為有了“智能大腦”，才能穩(wěn)定飛行；才能讓火箭“優(yōu)雅端莊”地遨游太空。