張衛(wèi)東 楊赧 楊帆（上海航天技術研究院）

1 概述

為填補新一代運載火箭型譜空白，優(yōu)化新一代運載火箭能力臺階，推動運載火箭更新換代，我國立項研制了長征六號改中型運載火箭系列?；鸺捎猛ㄓ没?、系列化、模塊化的設計理念，通過捆綁不同數量固體助推器、通用芯級實現系列化型譜覆蓋。其中，長征六號甲運載火箭是長征六號改中型運載火箭系列的基本型和優(yōu)先發(fā)展型，主要用于近地軌道（LEO）和太陽同步軌道（SSO）發(fā)射任務，其近地軌道載荷運載能力為8t以上，太陽同步軌道載荷運載能力為4t以上。

作為我國首款固液捆綁運載火箭，長征六號甲運載火箭突破了總體優(yōu)化設計、全箭力熱環(huán)境預示、2m直徑分段式固體發(fā)動機、固體助推捆綁連接與分離、固液捆綁火箭聯合姿態(tài)控制及高可靠連接器等關鍵技術，解決了固體助推器的可靠連接與安全分離、飛行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定控制、兩段式固體發(fā)動機長時間可靠工作及前端無人值守等難題。

2 火箭總體情況

長征六號甲運載火箭采用兩級半構型，捆綁4臺固體助推器。全箭總長50m，起飛推力720t，起飛質量530t。一子級直徑3.35m，采用2臺推力120t的YF-100GAII液氧/煤油發(fā)動機，發(fā)動機雙向搖擺提供控制力矩，氧箱在上，采用自生增壓方案，煤油箱在下，采用常溫氦氣增壓方案。二子級直徑3.35m，采用1臺推力18t的YF-115GIA液氧/煤油發(fā)動機，發(fā)動機雙向搖擺提供控制力矩，氧箱在上，采用自生增壓方案，煤油箱在下，采用常溫氦氣增壓方案。二子級配置獨立的輔助動力系統(tǒng)，完成主機飛行段滾動通道控制、末速修正、滑行段調姿等任務。

火箭捆綁4枚直徑2m的固體助推器，采用丁羥推進劑。單枚助推器采用1臺推力120t的FG-112分段式固體發(fā)動機，采用全向搖擺的柔性噴管和機電伺服系統(tǒng)，參與全箭姿態(tài)控制。助推器通過前、后捆綁連接裝置實現與芯級的連接，通過側推火箭實現與芯級的分離。

火箭整流罩直徑有3.8m/4.2m/5.2m等尺寸系列。遙一（Y1）箭衛(wèi)星整流罩直徑4.2m，長11m，由球頭、馮卡門段、筒段、倒錐段組成，橫向通過爆炸螺栓連接解鎖，縱向通過線性裝置和爆炸螺栓連接解鎖。采用旋轉分離方案，分離能源為彈簧推力器。整流罩采用全透波復合材料，可滿足衛(wèi)星測試期間全向遠程通信需求。根據衛(wèi)星尺寸，可選擇配套不同直徑和不同長度的衛(wèi)星整流罩。

全箭采用芯級尾段四點支承、后捆綁主傳力的支承和傳力方案。

長征六號甲運載火箭布局圖

3 主要技術特點

長征六號甲運載火箭芯級采用液氧/煤油發(fā)動機，助推器采用固體發(fā)動機，可以充分發(fā)揮固體發(fā)動機推力大、液體發(fā)動機比沖高的技術優(yōu)勢。其中，固體助推發(fā)動機為國內首次采用的兩段式構型，裝藥量為58t，工作時間為115s，屬國內最長工作時間。

火箭在國內首次采用270V、20kW高壓大功率電動伺服系統(tǒng)，控制固體發(fā)動機噴管擺動，實現固液捆綁火箭芯級和助推器聯合搖擺控制，解決了并聯固體助推發(fā)動機推力不平衡、關機不同步的控制問題。

同時，設置了芯一級發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)，芯一級液體發(fā)動機點火過程出現異常時，自動實施緊急關機，提高了發(fā)射安全性。低溫推進劑加注后，前端無人值守，提高了發(fā)射場使用安全性和故障應對能力。

固體助推捆綁與分離技術

固體助推捆綁分離機構與液體助推捆綁分離機構雖然在功能和載荷條件上有一定的相似之處，但在具體的工程實踐上仍存在較大差別。

長征六號甲運載火箭采用后主傳力方案，助推器側主捆綁點位于固體發(fā)動機筒段，無法利用內部空間設計插入式結構，且助推器與芯級對接時為滿藥狀態(tài)，質量遠超未加注的液體助推器，捆綁裝置設計上需具備更大的變形補償能力。固體助推器在解鎖時刻還存在部分后效推力，所處的力學環(huán)境更為復雜，需考慮各種干擾的影響。

在充分調研、優(yōu)選論證的基礎上，火箭確定了固體助推分離方案和分離策略，完成主輔捆綁點連接解鎖機構的設計、驗證試驗（結構產品靜力試驗、火工品研制及鑒定試驗等）；考慮固體發(fā)動機后效、推力線偏斜等偏差工況，對助推器分離進行仿真分析和復核復算，確保設計正確；固體助推器連接解鎖裝置最終設計狀態(tài)通過了芯級與助推捆綁結構的聯合靜力試驗考核；還建造了固體助推器分離試驗系統(tǒng)，成功進行了3次助推器地面分離試驗，試驗結果與分離仿真計算匹配性好，驗證了助推器分離方案的正確性。

固體捆綁火箭姿態(tài)控制技術

火箭飛行姿態(tài)穩(wěn)定是方案設計可行性的重要組成部分。液體芯級捆綁固體助推器后，為確保姿態(tài)穩(wěn)定，要求助推器和芯級同時參與全箭的穩(wěn)定控制，為此需要建立精確的姿態(tài)動力學模型，同時對固體發(fā)動機推力不同步、工作時間偏差、關機不同步等情況進行分析，全面評估其對姿控系統(tǒng)的影響，確定合理的發(fā)動機擺動方案；火箭需要研究兩種固液“發(fā)動機-伺服系統(tǒng)”回路的動態(tài)特性和彈性模態(tài)耦合情況下的姿態(tài)控制方法，完成控制器及校正網絡的設計，最終通過頻域、時域仿真，驗證方案的可行性。

長征六號甲運載火箭助推器分離試驗

根據長征六號甲運載火箭特點，開展了固液捆綁火箭聯合搖擺姿態(tài)控制關鍵技術攻關工作，主要是三通道耦合性分析和聯合搖擺控制分配方案設計。通過多變量頻域分析方法完成了三通道耦合性分析，三通道對角優(yōu)勢度較好，可以基于主對角元完成姿控設計；提出了合理可行的三通道控制方案，包括芯助分配、伺服機構控制分配。

火箭最終完成了穩(wěn)定控制系統(tǒng)設計并通過仿真驗證，仿真結果表明，聯合搖擺控制方案正確，網絡設計結果合理；針對4臺固體發(fā)動機推力不同步的問題，從起飛漂移、控制能力兩方面完成姿態(tài)控制影響分析，滿足指標要求。

無人值守技術

為實現無人值守目標，進一步提高火箭發(fā)射自動化水平和可靠性，提高故障狀態(tài)處置的安全性和快速響應能力，從發(fā)射流程統(tǒng)籌考慮，火箭開展了液氧加注后前端無人值守的全系統(tǒng)設計。

火箭在國內首次實現芯一級液氧、煤油加泄連接器自動對接、自動脫落技術；芯二級液氧、煤油加泄連接器和整流罩空調送風連接器起飛零秒自動脫落技術。

芯一級加泄連接器能夠實現全自動對接、自動脫落回收、脫落回收后再次自動對接功能。采用設置于發(fā)射臺上的尾部服務裝置實現了連接器脫落回收后對起飛燃氣流的防護功能，可根據需要適應不同的發(fā)射流程。

芯二級加泄連接器和空調連接器的零秒脫落，由連接器主體結構、懸掛繩索、懸掛固定點、脫落繩索和脫落氣缸等組成。設置牽拉繩索和防回彈繩索，通過多重冗余保證起飛零秒脫落的可靠性。整流罩空調連接器零秒脫落可為衛(wèi)星提供全流程的溫濕度保障條件。

長征六號甲火箭零秒連接器脫落

4 后續(xù)發(fā)展展望

長征六號甲運載火箭首飛成功，后續(xù)將作為我國主力運載火箭用于近地軌道和太陽同步軌道的“一箭一星”及“一箭多星”發(fā)射任務，滿足各類航天器按需發(fā)射的迫切需求。

按照統(tǒng)籌規(guī)劃、分布實施的原則，在研制長征六號甲運載火箭的同時，我國已同步開展長征六號改系列火箭其他構型研制工作。根據不同發(fā)射任務的要求，通過基礎級模塊組合形成系列化覆蓋，完成近地軌道和太陽同步軌道發(fā)射任務，多款構型后續(xù)將陸續(xù)投入應用。