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          我国首型固体捆绑火箭首飞成功,长征火箭家族再添新丁

          长征六号改是我国首型固体捆绑中型运载火箭,首飞取得圆满成功标志着我国新一代运载火箭家族再添新成员,进一步完善了我国新一代运载火箭的型谱建设。

          3月29日,我国首型固体捆绑中型运载火箭长征六号改在太原卫星发射中心成功发射,顺利将浦江二号卫星和天鲲二号卫星送入预定轨道。

          中国航天科技集团八院长征六号改运载火箭总指挥洪刚介绍说,长征六号改运载火箭成功首飞实现了我国固体捆绑等一系列技术新突破,推动新一代运载火箭迈向更高效、更智能、更安全,为我国新一代运载火箭的创新发展奠定了坚实基础。

          本文图均为 中国航天科技集团八院 图

          长六改火箭为何选择“混动模式”

          长征六号改运载火箭(以下简称:长六改火箭)外形上最大的特点是捆绑4个助推器,但与以往长征火箭捆绑液体火箭助推器不同,长六改捆绑的是固体火箭助推器,直径2米,由中国航天科技集团四院研制。火箭芯一、二级直径为3.35米,一级采用两台120吨推力的液氧/煤油发动机,二级采用一台推力18吨的液氧/煤油发动机,火箭总长约50米。澎湃的动力能让530吨重的火箭顺利升空,将至少4吨重的载荷送上700公里的太阳同步轨道。

          长六改火箭作为我国第一型“混合动力”的新一代长征系列运载火箭,在技术难度高、系统复杂的航天领域也玩了一把跨界。那么,长六改为何选择“混合动力”呢?

          长六改火箭之所以选择固体助推器加液体芯级的“混合动力”模式,主要是因为两种类型发动机的各有优势,固体发动机具有结构简单、可靠性高、推力大和长时间储存等优势,而液体发动机具有工作时间长、性能高的优势,组合在一起可实现运载火箭动力系统技术性与经济性的完美结合。

          随着空间装备和空间活动、深空探测技术的不断发展,世界主要航天大国都在致力于加快发展捆绑固体助推器的大型运载火箭技术。比如法国的“阿里安”-5、美国的“宇宙神”-5火箭都采用这种构型,美国即将发射的重型运载火箭SLS也采用固体助推器加液体芯级的“混合动力”模式。

          长六改火箭上配备的助推器每枚助推推力可达120吨,采用分段式结构。“固体发动机要达到更大推力,必须掌握分段式发动机技术才行!”中国航天科技集团有限公司四院长六改固体发动机总设计师王健儒指出。分段式固体发动机具有推力大、工作时间长,结构尺寸大等特点,是运载火箭实现大起飞推力的有效途径。同时,采用分段技术,可大幅降低发动机技术难度、研制条件、运输等难度以及研制成本。

          固体助推器加液体芯级的“混合动力”模式优点很多,但技术难度也不小,必须突破固体助推器捆绑与分离技术、捆绑点大集中力扩散技术、固液捆绑联合摇摆控制等关键技术。为了克服在飞行过程中固液发动机联合工作带来的复杂力、热环境,为此研制人员建立了全面完整的捆绑火箭力学环境条件设计方法体系和气固两相喷流底部热环境预示模型,国内首次定量描述了声致振动特性,通过精准预示和控制措施,有效确保了“乘客”的乘坐舒适性。

          作为一枚捆绑火箭,助推器完成“使命”后与芯级安全分离是火箭飞行过程中最关键的分离程序之一。为了实现在恶劣的力热环境、发动机后效推力、气动阻力等复杂干扰情况下,确保助推器和芯级安全的分离,研制团队合理选择分离动力源并优化布局,结合分离时序等设计,消除了众多干扰因素对分离的影响,确保助推器分得开、分得稳。同时,在研制阶段,长六改火箭还成功实施了3次固体助推捆绑地面分离试验,进一步验证了助推分离技术方案的正确性。

          长六改火箭在飞行过程中,芯级与助推器发动机都要摆动,共同参加火箭的姿态控制,但由于两种发动机的特点不同、伺服机构的动态特性不同,芯级与助推器之间势必存在相互干扰,对火箭的稳定飞行会带来不利影响。为此,长六改火箭创新性采用联合摇摆控制方案,通过优化不同飞行阶段的摆角分配策略,克服了火箭在飞行过程受到的诸多干扰,让火箭优雅端庄、信步苍穹。

          在固体助推器分离的瞬间,失去了大推力固体发动机的加持,火箭可能会面临“空中大刹车”的局面。为此,火箭控制系统会在助推分离前对固体发动机的工作状态进行智能监测,将整箭控制策略从最初的联合摆动控制平稳过渡到芯级单独控制,从而最大程度地保证了火箭抛助推前后的稳定飞行。

          一系列新技术助力长六改

          距离长六改火箭的首飞还有4小时,在测控发射大厅里,中国航天科技集团有限公司八院长六改试验队员正在有序推进火箭发射前的各项加注以及测试工作。与以往运载火箭发射不同,此时,前端塔架上所有操作人员早已安全撤离。火箭发射前的所有工作都将通过测控发射大厅实现远程控制。这就是长六改火箭无人值守技术带来的发射场景。

          “智能机械臂”是无人值守技术中的关键设备。在常规的火箭发射流程中,加泄连接器一般采用人工现场手动对接、自动脱落的方式,而长六改火箭打造的地面发射支持系统则将火箭芯一级的加泄连接器升级为一款可自动对接的“智能机械臂”,以“一臂之力”实现了我国运载火箭的首次智能化对接加注。

          这是一只“长了大脑和眼睛”的机械臂。比如在火箭加注前,会因为载荷变化或风力的影响产生随机晃动,那在火箭“随风摇曳”的状态下,怎么才能让机械臂对得准呢?中国航天科技集团有限公司八院805所设计师历时4年攻关,通过跨学科钻研,赋予了机械臂自主学习和空间姿态捕获的能力,让它像长了“大脑和眼睛”一样,具备了动态测量、实时跟踪的本事,可以确保在雨、雪、雾等复杂天气环境中准确获取目标位置。

          此外,长六改火箭的二级加泄连接器、卫星整流罩空调送风连接器均采用零秒脱落技术也为实现火箭发射前4小时全体工作人员从发射塔架撤离提供了保障。

          长六改火箭还配备了“健康管理”,让火箭更智能。与常规的运载火箭点火流程不同,火箭发射时,长六改火箭芯一级发动机先点火,4个固体发动机助推器再点火。

          固体发动机虽然工作可靠、使用维护简单,但却存在一旦点火就无法实施紧急关机的情况;相反,火箭芯级采用的液体发动机则可以通过紧急关机系统实现关机。因此,在固体助推器点火为长六改火箭提供强大起飞推力前,需要对火箭芯级液体发动机的健康状态进行诊断,在确保芯级发动机健康无虞的前提下,固体助推器才执行点火程序。

          那如何在发射前为火箭发动机做一次全面的健康检查?长六改火箭的设计师们为火箭芯一级的液体发动机配置了一位“健康管家”,即发动机健康诊断系统。但“打铁还需自身硬”,这位“健康管家”要在极短的时间内对液体发动机启动后的工作状态进行准确无误地判断,还不能因自身故障把正常工作的发动机误关机,导致火箭发射推迟,真正做到快速诊断、准确判断,保证发射任务万无一失。

          据设计师介绍,目前国内尚无在火箭发射中应用发动机健康诊断系统的先例,此次发射任务的成功进一步验证了健康诊断系统方案设计的正确性以及工程应用的可靠性。

          “混动火箭”“智能诊断”“无人值守”等一系列技术突破成功助力了长六改火箭首飞,面对后续高密度发射的形势,洪刚表示,长六改火箭将持续深化科研生产模式转型,包括对研制生产流程进一步优化,深度对标精益管理的各项要求,大力推进数字化应用打通设计生产协调等具体措施,提升新一代运载火箭的可靠性、安全性、智能化水平。

          洪刚介绍说,长六改火箭采用模块化、组合化、系列化发展途径,通过助推器的调整,可形成单芯级、捆绑2台固体助推器、捆绑4台固体助推器、捆绑通用芯级等多种构型,形成运载能力覆盖范围广、梯度合理,性价比高的运载火箭系列,满足未来卫星多样化的密集发射需求。


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