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我國首型固體捆綁火箭首飛成功,長征火箭家族再添新丁

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。

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星發射中心成功發射,順利將浦江二號衛星和天鯤二號衛星送入預定軌道。

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了我國固體捆綁等一系列技術新突破,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新發展奠定了堅實基礎。

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/煤油發動機,二級采用一臺推力18噸的液氧/煤油發動機,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,在技術難度高、系統復雜的航天領域也玩了一把跨界。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動機的各有優勢,固體發動機具有結構簡單、可靠性高、推力大和長時間儲存等優勢,而液體發動機具有工作時間長、性能高的優勢,組合在一起可實現運載火箭動力系統技術性與經濟性的完美結合。

隨著空間裝備和空間活動、深空探測技術的不斷發展,世界主要航天大國都在致力于加快發展捆綁固體助推器的大型運載火箭技術。比如法國的“阿里安”-5、美國的“宇宙神”-5火箭都采用這種構型,美國即將發射的重型運載火箭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,采用分段式結構。“固體發動機要達到更大推力,必須掌握分段式發動機技術才行!”中國航天科技集團有限公司四院長六改固體發動機總設計師王健儒指出。分段式固體發動機具有推力大、工作時間長,結構尺寸大等特點,是運載火箭實現大起飛推力的有效途徑。同時,采用分段技術,可大幅降低發動機技術難度、研制條件、運輸等難度以及研制成本。

固體助推器加液體芯級的“混合動力”模式優點很多,但技術難度也不小,必須突破固體助推器捆綁與分離技術、捆綁點大集中力擴散技術、固液捆綁聯合搖擺控制等關鍵技術。為了克服在飛行過程中固液發動機聯合工作帶來的復雜力、熱環境,為此研制人員建立了全面完整的捆綁火箭力學環境條件設計方法體系和氣固兩相噴流底部熱環境預示模型,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“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鍵的分離程序之一。為了實現在惡劣的力熱環境、發動機后效推力、氣動阻力等復雜干擾情況下,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。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方案的正確性。

長六改火箭在飛行過程中,芯級與助推器發動機都要擺動,共同參加火箭的姿態控制,但由于兩種發動機的特點不同、伺服機構的動態特性不同,芯級與助推器之間勢必存在相互干擾,對火箭的穩定飛行會帶來不利影響。為此,長六改火箭創新性采用聯合搖擺控制方案,通過優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,火箭控制系統會在助推分離前對固體發動機的工作狀態進行智能監測,將整箭控制策略從最初的聯合擺動控制平穩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定飛行。

一系列新技術助力長六改

距離長六改火箭的首飛還有4小時,在測控發射大廳里,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射前的各項加注以及測試工作。與以往運載火箭發射不同,此時,前端塔架上所有操作人員早已安全撤離。火箭發射前的所有工作都將通過測控發射大廳實現遠程控制。這就是長六改火箭無人值守技術帶來的發射場景。

“智能機械臂”是無人值守技術中的關鍵設備。在常規的火箭發射流程中,加泄連接器一般采用人工現場手動對接、自動脫落的方式,而長六改火箭打造的地面發射支持系統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力的影響產生隨機晃動,那在火箭“隨風搖曳”的狀態下,怎么才能讓機械臂對得準呢?中國航天科技集團有限公司八院805所設計師歷時4年攻關,通過跨學科鉆研,賦予了機械臂自主學習和空間姿態捕獲的能力,讓它像長了“大腦和眼睛”一樣,具備了動態測量、實時跟蹤的本事,可以確保在雨、雪、霧等復雜天氣環境中準確獲取目標位置。

此外,長六改火箭的二級加泄連接器、衛星整流罩空調送風連接器均采用零秒脫落技術也為實現火箭發射前4小時全體工作人員從發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。與常規的運載火箭點火流程不同,火箭發射時,長六改火箭芯一級發動機先點火,4個固體發動機助推器再點火。

固體發動機雖然工作可靠、使用維護簡單,但卻存在一旦點火就無法實施緊急關機的情況;相反,火箭芯級采用的液體發動機則可以通過緊急關機系統實現關機。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動機的健康狀態進行診斷,在確保芯級發動機健康無虞的前提下,固體助推器才執行點火程序。

那如何在發射前為火箭發動機做一次全面的健康檢查?長六改火箭的設計師們為火箭芯一級的液體發動機配置了一位“健康管家”,即發動機健康診斷系統。但“打鐵還需自身硬”,這位“健康管家”要在極短的時間內對液體發動機啟動后的工作狀態進行準確無誤地判斷,還不能因自身故障把正常工作的發動機誤關機,導致火箭發射推遲,真正做到快速診斷、準確判斷,保證發射任務萬無一失。

據設計師介紹,目前國內尚無在火箭發射中應用發動機健康診斷系統的先例,此次發射任務的成功進一步驗證了健康診斷系統方案設計的正確性以及工程應用的可靠性。

“混動火箭”“智能診斷”“無人值守”等一系列技術突破成功助力了長六改火箭首飛,面對后續高密度發射的形勢,洪剛表示,長六改火箭將持續深化科研生產模式轉型,包括對研制生產流程進一步優化,深度對標精益管理的各項要求,大力推進數字化應用打通設計生產協調等具體措施,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、系列化發展途徑,通過助推器的調整,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,滿足未來衛星多樣化的密集發射需求。


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