文/航箭

（感謝趙聰、李紅兵、李同等對(duì)本文的貢獻(xiàn)。除署名外，本文照片均為孫公明攝。）

3月29日17時(shí)50分，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心新建發(fā)射工位，長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭首次點(diǎn)火起飛，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。作為我國(guó)首型固液捆綁運(yùn)載火箭，長(zhǎng)征六號(hào)改火箭應(yīng)用一系列新技術(shù)、新工藝，具備多重優(yōu)勢(shì)，應(yīng)用前景廣闊。

固液聯(lián)合優(yōu)勢(shì)多

近年來，我國(guó)航天高密度發(fā)射已成為常態(tài)，亟需研制具備更大運(yùn)載能力、更強(qiáng)任務(wù)適應(yīng)性的運(yùn)載火箭。而為搶占市場(chǎng)先機(jī)，盡快服役運(yùn)載能力更強(qiáng)、可靠性更高、性價(jià)比更優(yōu)的新一代中型火箭非常重要。

早在2010年初，長(zhǎng)六改運(yùn)載火箭已經(jīng)正式啟動(dòng)方案論證。2017年1月，長(zhǎng)六改運(yùn)載火箭的總體方案確定為兩級(jí)半構(gòu)型、液體芯級(jí)捆綁固體推進(jìn)器。2017年9月21日，長(zhǎng)六改運(yùn)載火箭順利通過由用戶組織的立項(xiàng)評(píng)審。2018年10月，長(zhǎng)六改運(yùn)載火箭正式立項(xiàng)。

▲ 長(zhǎng)六改火箭發(fā)射瞬間 鄭斌 攝

據(jù)公開資料顯示，長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭總長(zhǎng)約50米，起飛重量約530噸，700千米太陽同步軌道運(yùn)載能力不小于4噸?；鸺疽?、二級(jí)直徑為3.35米，一級(jí)采用2臺(tái)120噸推力的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)采用1臺(tái)推力18噸的YF-115液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。芯級(jí)捆綁了4臺(tái)2米直徑的助推器，每個(gè)助推器裝有1臺(tái)120噸推力的兩段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)。

其中，助推器的兩段式120噸推力固體發(fā)動(dòng)機(jī)首次實(shí)現(xiàn)了型號(hào)工程化應(yīng)用。這型捆綁了4個(gè)助推器的兩級(jí)半構(gòu)型火箭，成為我國(guó)首型固液捆綁式運(yùn)載火箭，4個(gè)助推器為全箭提供了近70%的推力。

動(dòng)力系統(tǒng)的創(chuàng)新無疑是長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭的最大看點(diǎn)，我國(guó)固體火箭動(dòng)力技術(shù)的發(fā)展也給了運(yùn)載火箭更多選擇空間。

通常來講，想研制同等級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠性高，發(fā)射前無須加注推進(jìn)劑，使用維護(hù)簡(jiǎn)便，易實(shí)現(xiàn)大推力，可長(zhǎng)時(shí)間儲(chǔ)存，制造和測(cè)試成本更低。其中，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)助推器更容易靈活搭配出不同推力和不同運(yùn)力的火箭。

但是，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖較低，導(dǎo)致“純粹”固體火箭的運(yùn)載系數(shù)較低，發(fā)射質(zhì)量偏大，過多的結(jié)構(gòu)級(jí)數(shù)設(shè)計(jì)又提高了火箭的復(fù)雜度，降低了整體可靠性。同時(shí)，固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒劇烈且無法中止，危險(xiǎn)性較大。

而液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)能盡量避免這些問題，不僅比固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)擁有更佳的比沖性能，而且很多液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具備節(jié)流和重復(fù)啟動(dòng)功能，更安全靈活。

鑒于固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)各有優(yōu)勢(shì)，科研人員希望兩者“跨界合作”，使液體芯級(jí)+固體助推器的運(yùn)載火箭匯集兩者之長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)技術(shù)性與經(jīng)濟(jì)性的完美結(jié)合。為此，長(zhǎng)六改火箭突破了固體助推器捆綁與分離、捆綁點(diǎn)大集中力擴(kuò)散、固液捆綁聯(lián)合搖擺控制等關(guān)鍵技術(shù)。依托太原衛(wèi)星發(fā)射中心新建的發(fā)射工位，長(zhǎng)六改火箭可實(shí)現(xiàn)14天快速發(fā)射，滿足中低軌道衛(wèi)星高密度發(fā)射需求。

此外，長(zhǎng)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(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)等多種推力的構(gòu)型，能像搭積木一樣靈活組合，實(shí)現(xiàn)性能和成本的平衡，滿足衛(wèi)星多樣化的發(fā)射需求。

據(jù)悉，在長(zhǎng)六改火箭論證初期，研制團(tuán)隊(duì)針對(duì)不同的芯級(jí)級(jí)數(shù)、直徑、發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)以及固體助推器數(shù)量、直徑、分段數(shù)等，開展了方案對(duì)比論證，組合出的火箭構(gòu)型有近百種。

借助固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)六改火箭的管路系統(tǒng)減少55%，可實(shí)現(xiàn)固體助推器在發(fā)射場(chǎng)直接安裝，助力火箭14天快速發(fā)射。目前，2米三段式、3米兩段式、3.2米三段式發(fā)動(dòng)機(jī)均已試車成功，未來我國(guó)運(yùn)載火箭領(lǐng)域動(dòng)力系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)更多可能。

▲ 長(zhǎng)六改火箭固體助推器特寫

▲ 吊裝中的長(zhǎng)六改火箭分段

▲ 長(zhǎng)六改火箭分段

“從頭到腳”創(chuàng)新不少

在長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭上，工藝創(chuàng)新隨處可見。

隨著長(zhǎng)六改火箭首飛成功，世界首個(gè)3.35米充液拉深超大超薄整體成形貯箱箱底也證明了可靠性?！俺?超薄”是它的顯著特性，直徑4.2米、厚度10毫米的鋁合金板通過充液拉深貯箱整體箱底成形技術(shù)制造后，箱底原本長(zhǎng)達(dá)10米的焊縫消失得無影無蹤，并兼具強(qiáng)度、韌度等方面的優(yōu)秀性能。

傳統(tǒng)火箭貯箱箱底是由一塊塊鋁合金板材拼裝、焊接而成的。為了能有更強(qiáng)的“鐵骨”、更輕的“體重”，工匠們通過充液拉深成形技術(shù)、“蛋殼雕花”的鏡像銑削技術(shù)、快速防腐技術(shù)等，提高了貯箱結(jié)構(gòu)可靠性，使制造效率提升了60%以上。未來，該技術(shù)將全面應(yīng)用于各種規(guī)格的火箭貯箱箱底生產(chǎn)制造中。

長(zhǎng)六改火箭的整流罩是國(guó)內(nèi)最大尺寸的4.2米全透波復(fù)合材料整流罩，應(yīng)用了水平合罩的總裝技術(shù)、線性分離的解鎖方式，使得整流罩的透波性、解鎖可靠性得到了顯著提高。

據(jù)悉，長(zhǎng)六改整流罩的全方向透波率達(dá)到了90%，不必再為每顆衛(wèi)星定制專屬透波口，簡(jiǎn)化了生產(chǎn)流程，減重30%左右。同時(shí)，復(fù)合材料的低熱導(dǎo)率讓整流罩在低溫環(huán)境下不必再使用傳統(tǒng)火箭所需的保溫層。

星箭成功分離，驗(yàn)證了4.2米線性解鎖全復(fù)合材料衛(wèi)星整流罩設(shè)計(jì)、工藝的可行性，體現(xiàn)了全復(fù)合材料整流罩質(zhì)量輕、全透波的優(yōu)勢(shì)。后續(xù)，火箭整流罩會(huì)加緊推進(jìn)復(fù)合材料替代化工作，實(shí)現(xiàn)3.35米、3.8米、4.2米的整流罩產(chǎn)品統(tǒng)型化應(yīng)用。

長(zhǎng)六改火箭上，最關(guān)鍵的創(chuàng)新圍繞著發(fā)動(dòng)機(jī)“做文章”。固體和液體兩種動(dòng)力特性不同，很難做到完美契合，“馴服”兩者不僅僅是動(dòng)力系統(tǒng)的任務(wù)，從總體到控制，再到多個(gè)分系統(tǒng)，均要為這一難題絞盡腦汁。

與常規(guī)的運(yùn)載火箭不同，長(zhǎng)六改火箭發(fā)射時(shí)，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。為何要一先一后處理呢？根源在于發(fā)動(dòng)機(jī)特性。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)雖然工作可靠、使用維護(hù)簡(jiǎn)單，但“開弓便無回頭路”，一旦點(diǎn)火，將無法緊急關(guān)機(jī)；相反，火箭芯級(jí)采用的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)可以通過關(guān)閉閥門等手段及時(shí)叫停。

在不同發(fā)動(dòng)機(jī)一先一后點(diǎn)火間隙，留出了0.3秒的寶貴時(shí)間，這0.3秒內(nèi)要做一件事：完成芯一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的“健康診斷”。

設(shè)計(jì)師介紹，在芯級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火后的2.5秒，健康診斷系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動(dòng)機(jī)診斷窗口。之后短短的0.3秒內(nèi)，這位“健康管家”需要在前期收集的大量數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的健康狀況進(jìn)行診斷：若監(jiān)測(cè)到發(fā)動(dòng)機(jī)存在問題，要在須臾間完成故障發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)緊急關(guān)機(jī)，確保固體助推器不再執(zhí)行點(diǎn)火程序；在確保芯級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī)“健康無虞”的前提下，固體助推器才執(zhí)行點(diǎn)火程序。

“健康管家”同樣做足了功課。長(zhǎng)六改火箭配置了3套相同的健康診斷系統(tǒng)，對(duì)芯級(jí)液體發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)進(jìn)行同時(shí)診斷，如果有2套及以上系統(tǒng)同時(shí)判斷故障存在，才會(huì)被認(rèn)為是發(fā)動(dòng)機(jī)故障。

設(shè)計(jì)師透露，在長(zhǎng)六改火箭之前，國(guó)內(nèi)尚無在火箭發(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)成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了健康診斷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的正確性及工程應(yīng)用的可靠性。

“固體發(fā)動(dòng)機(jī)推力大，但存在推力全程不穩(wěn)定的問題，不像液體發(fā)動(dòng)機(jī)可以持續(xù)輸出一條平穩(wěn)的直線。”控制系統(tǒng)副主任設(shè)計(jì)師胡存明介紹道，“而且捆綁在火箭4個(gè)方位的固體助推器點(diǎn)火后也做不到完全‘步調(diào)一致’，有的是‘急性子’，有的稍微慢一點(diǎn)，這會(huì)對(duì)火箭產(chǎn)生一定的翻轉(zhuǎn)力矩?！?/p>

為此，控制系統(tǒng)研制團(tuán)隊(duì)對(duì)各類極限條件進(jìn)行了全面的仿真與評(píng)估，將“液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)+液壓伺服機(jī)構(gòu)”與“固體發(fā)動(dòng)機(jī)+電動(dòng)伺服機(jī)構(gòu)”這種“跨界混搭”組合牢牢“拿捏”，確?；鸺椒€(wěn)飛行。

▲ 吊運(yùn)火箭整流罩

▲ 長(zhǎng)六改火箭工藝多處革新

▲ 火箭發(fā)射準(zhǔn)備

▲ 火箭發(fā)射準(zhǔn)備特寫

還有一個(gè)難題：受固體發(fā)動(dòng)機(jī)熱流影響，芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)底部過熱，噴管熱工作環(huán)境嚴(yán)酷。為此，針對(duì)芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)在飛行過程中的結(jié)構(gòu)熱適應(yīng)性，團(tuán)隊(duì)給液體發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了專題仿真分析和復(fù)核復(fù)算，并利用試片完成了火箭分離噴流試驗(yàn)考核。結(jié)果表明，芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)可以適應(yīng)具備挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境條件。

流程優(yōu)化更智能

長(zhǎng)六改火箭的一系列技術(shù)進(jìn)步不是憑空得來的，科研人員為此付出了巨大努力，廣泛論證試驗(yàn)，優(yōu)化發(fā)射流程，從不同方面支持了長(zhǎng)六改火箭終成正果。

全箭模態(tài)試驗(yàn)是新型火箭首飛前必須經(jīng)歷的大型地面試驗(yàn)，主要目的是通過模擬火箭真實(shí)的飛行狀態(tài)，獲取火箭在特征工況下的振型、斜率參數(shù)，摸清火箭的結(jié)構(gòu)動(dòng)力學(xué)特性，為火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供一系列數(shù)據(jù)支撐。

由于長(zhǎng)六改火箭應(yīng)用了一系列新技術(shù)、新工藝，在模態(tài)試驗(yàn)的組織策劃和實(shí)施上面臨著多重困難。

比如，裝滿固體燃料的助推器質(zhì)量大，單個(gè)近70噸，創(chuàng)下了國(guó)內(nèi)助推器吊裝紀(jì)錄。且助推與芯級(jí)的對(duì)接精度要求高，捆綁連接機(jī)構(gòu)復(fù)雜，這都使得捆綁操作的難度堪比“穿針引線”。研制團(tuán)隊(duì)優(yōu)化操作流程，耗時(shí)6天，長(zhǎng)六改運(yùn)載火箭模態(tài)箭終于完成了4個(gè)滿藥助推與一子級(jí)的捆綁連接工作，首次實(shí)現(xiàn)了國(guó)內(nèi)固體助推器與液體芯級(jí)箭體的捆綁。

我國(guó)首次在運(yùn)載火箭上應(yīng)用固液捆綁方案，多項(xiàng)新技術(shù)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)健康診斷系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。自2016年開始，型號(hào)團(tuán)隊(duì)“白手起家”，多次同發(fā)動(dòng)機(jī)研制單位展開技術(shù)協(xié)調(diào)，研究分析了上千條發(fā)動(dòng)機(jī)試車數(shù)據(jù)。團(tuán)隊(duì)先后6次奔赴西安參加真實(shí)的發(fā)動(dòng)機(jī)試車，每次一待就接近1個(gè)月，以完美“戰(zhàn)績(jī)”實(shí)現(xiàn)了100%成功，系統(tǒng)可靠性得到充分驗(yàn)證。經(jīng)過反復(fù)優(yōu)化的發(fā)動(dòng)機(jī)健康診斷方案歷經(jīng)2年多論證，終于獲得認(rèn)可。

2021年2月，長(zhǎng)六改運(yùn)載火箭順利完成全箭15個(gè)工況的試驗(yàn)工作，獲取到合理、可靠、足夠的火箭動(dòng)力學(xué)特性，滿足了型號(hào)工程的研制需要，有力確保了后續(xù)任務(wù)的順利完成。

由于一系列優(yōu)化措施，長(zhǎng)六改火箭發(fā)射流程出現(xiàn)了較大變化。距離火箭起飛還有4個(gè)小時(shí)，發(fā)射塔架上已無人影。相比常規(guī)的運(yùn)載火箭發(fā)射流程，這提前了約3.5小時(shí)。而當(dāng)時(shí)在距塔架數(shù)千米外的測(cè)控發(fā)射大廳里，試驗(yàn)隊(duì)員有序推進(jìn)火箭發(fā)射前的各項(xiàng)加注及測(cè)試工作。

無人值守，這是長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭給發(fā)射場(chǎng)帶來的改觀。與以往運(yùn)載火箭發(fā)射不同，長(zhǎng)六改火箭發(fā)射前，工作人員會(huì)早早撤離發(fā)射塔架，所有工作都會(huì)在測(cè)控發(fā)射大廳對(duì)火箭進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。

對(duì)于液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來講，加泄連接器是火箭在加注/泄出推進(jìn)劑時(shí)，箭上系統(tǒng)與地面支持系統(tǒng)的連接設(shè)備，堪稱“生命臍帶樞紐”。在常規(guī)的火箭發(fā)射流程中，加泄連接器一般由人工對(duì)接，自動(dòng)脫落，費(fèi)力費(fèi)時(shí)。在長(zhǎng)六改火箭任務(wù)中，芯一級(jí)的加泄連接器被升級(jí)為智能機(jī)械臂，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)運(yùn)載火箭的首次智能化對(duì)接加注。

人員撤離更早，如何確?；鸺T多連接器安全脫落？其實(shí)，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)連接器均可“零秒脫落”，也就是在火箭起飛的瞬間脫落。

據(jù)長(zhǎng)六改火箭副總設(shè)計(jì)師張亮介紹，通過“結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、高可靠性的連接技術(shù)+多重冗余保障的分離方案+強(qiáng)制收回與捕獲系統(tǒng)”配合，確保了“零秒脫落”萬無一失，為發(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。

運(yùn)載火箭的能力有多大，航天的舞臺(tái)就有多大。長(zhǎng)征六號(hào)改運(yùn)載火箭首飛成功，一系列技術(shù)創(chuàng)新經(jīng)受住考驗(yàn)，還為技術(shù)應(yīng)用拓展奠定了基礎(chǔ)，不僅有望贏得發(fā)射市場(chǎng)青睞，還將進(jìn)一步提升我國(guó)進(jìn)入空間的能力。