長征六號改運載火箭首飛成功 中國航太固體動力技術實現重大突破
長征六號改運載火箭首飛成功 我國航太固體動力技術實現重大突破 不同凡響的“混動版”火箭
本報記者 柴雅欣
長征家族再“添丁”！3月29日17時50分，長征六號改運載火箭(以下簡稱“長六改運載火箭”)在太原衛星發射中心升空，搭載發射的浦江二號和天鯤二號衛星順利進入預定軌道，首飛任務取得圓滿成功。長征六號改運載火箭是我國新一代無毒無污染運載火箭，是我國首型固體捆綁運載火箭，用於發射太陽同步軌道衛星。
“作為我國首型‘混合動力’的新一代長征系列運載火箭，長六改運載火箭成功首飛，實現了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、更智慧、更安全的發展路徑。”中國航太科技集團第八研究院長六改運載火箭總指揮洪剛說。
1 “固液混合”更高效
我國運載火箭領域固液發動機首次“跨界合作”
這次任務是長征系列運載火箭的第412次發射。長六改運載火箭誕生前，我國現役運載火箭中只有單純以固體發動機或液體發動機作為推力的運載火箭，固液“混動版”尚無先例。
火箭全箭總長約50米，起飛重量約530噸，700公里太陽同步軌道運載能力不小于4噸。據介紹，長六改運載火箭的芯級採用液氧煤油發動機，其中，芯一級採用兩台120噸推力的液氧煤油發動機，芯二級採用一台推力18噸的液氧煤油發動機；芯級捆綁了4台以固體燃料為動力的發動機作為助推器，為全箭提供了近70%的推力。它首次實現了我國運載火箭領域固液發動機的“跨界合作”，突破了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。
固體助推發動機由中國航太科技集團四院(以下簡稱“四院”)研製。據四院專家介紹，首飛成功標誌著固體動力進入了我國主流運載火箭領域，實現了我國航太固體動力技術的重大突破。
目前，我國運載火箭以液體動力為主，那長六改運載火箭選擇捆綁固體助推發動機的原因是什麼？
從本身性能看，固體火箭動力系統結構相對簡單，發動機本身就是一個推力室，固體推進劑預裝在發動機燃燒室內。火箭運送到發射場，測試完成後即可實施發射，不用在發射場提前多天加注燃料和氧化劑，也不需要大量地面設備、資源進行配合與保障，發射準備週期更短。
固體發動機推力大、簡單可靠的特點，在長六改運載火箭上也體現得淋漓盡致。火箭芯級捆綁了4台固體助推發動機，單臺助推推力可達120噸，由此刷新了長征系列運載火箭最快的“起跑”紀錄。
對於龐大的火箭發射系統而言，零件數量更少的固體動力系統，在可靠性和機動性方面有先天優勢。借助固體發動機結構相對簡單、部組件少、可靠性高、操作維護方便、貯存時間長的優勢，長六改運載火箭箭上管路系統減少55%，使得固體助推器在發射場直接安裝、火箭14天快速發射成為現實。
從應用場景看，近年來小衛星市場蓬勃發展，軍事航太等領域對快速進入空間的需求不斷增加。固體動力運載火箭具有快速響應、機動性強、成本低等特點，由此成為世界主要航太大國發展的一大重點。
2010年初，長六改運載火箭正式啟動方案論證工作。綜合技術發展趨勢和國內的研究現狀，長六改運載火箭從論證之初便確定了採用固體捆綁的總體思路，即採用液體芯級捆綁固體助推構型。
跨界合作，優勢互補。在運載火箭動力系統中，液體發動機推力穩、性能高、工作時間長，而固體發動機推力大、響應快、工作可靠、使用維護簡單，可以免去在發射場複雜的加注流程。長六改運載火箭充分發揮二者的綜合優勢，大幅提升我國進入空間、利用空間、探索空間的能力。
“火箭採用模組化、組合化、系列化發展途徑，通過增減助推器數量，可獲得單芯級、捆綁2台固體助推器、捆綁4台固體助推器、捆綁通用芯級等多種變體構型，靈活實現各種推力需要，形成運載能力覆蓋範圍廣、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。”洪剛說。
2 “健康管家”更智慧
發動機健康診斷系統為安全發射保駕護航
固體發動機雖然工作可靠、使用維護簡單，但存在一個“隱患”：一旦點火，哪怕遇到特殊情況也無法實施緊急關機。火箭芯級採用的液體發動機，則能夠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運載火箭提供強大起飛推力前，需要精確診斷火箭芯級液體發動機的健康狀態。只有確保芯級發動機健康無虞，固體助推器才能放心執行點火程式。
那麼，在火箭發射前，如何為發動機做一次全面的健康檢查？長六改運載火箭的設計師們為火箭芯一級的液體發動機配置了一位快、準、穩的“健康管家”，即發動機健康診斷系統。據了解，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和工程應用的可靠性。
快。芯級發動機點火後，發動機健康診斷系統開始工作，此時固體助推器尚未點火，4台助推器的重量將整個火箭牢牢固定在發射臺上。健康診斷系統診斷芯級發動機健康狀態僅需0.3秒，便可決定發射進程能否繼續。之所以如此迅速，是因為倘若診斷時間過長，會持續消耗發動機推進劑，從而影響火箭運載能力。
其實，我國液體運載火箭都有一套緊急關機系統，這套系統通常設置在地面機櫃中，一旦遇到緊急情況，地面設備可以發出關機指令。但是這次，長六改運載火箭設計師把這套系統搬到了火箭上。這個經整合化、小型化設計後的系統，雖然僅有一本書大小，但晶片運算能力強大，能夠快速精準採集發動機參數並進行實時診斷。在芯級液體發動機點火後的2.5秒，健康診斷系統進入發動機診斷窗口；2.5-2.8秒，在短短的0.3秒內，這位“健康管家”完成對發動機健康狀況的診斷，一旦發現非正常的突發狀況，健康診斷系統將立刻實施自動緊急關機，同時助推器的固體發動機將不再點火。
準。海量數據分析是準確判斷的基礎，長六改運載火箭的設計師們聯合發動機系統，詳細研究發動機健康診斷系統參數，從幾萬秒的試車數據中尋找規律，確定健康診斷系統的診斷演算法，並進行上百次倣真驗證，在確保發動機不發生誤關機的同時，儘早發現故障。
穩。火箭芯級發動機為低溫液氧煤油發動機，液氧的溫度為零下183℃，哪怕在設計師提供的“隔水隔熱服”的保護下，健康診斷系統周圍的環境依然在零下40℃；發動機點火後，周圍的溫度驟升為130℃，且伴隨著強烈振動，工作環境極其惡劣。為此，型號團隊根據火箭起飛時刻的環境進行了大量驗證試驗，從零下40℃到130℃、高強度衝擊、電磁相容試驗、1000余次強化考核……產品一次次地改進、試驗，終於練就了能適應“冰火兩重天”的發動機健康診斷系統。
3 “無人值守”更安全
無人值守技術實現我國運載火箭領域的三個“首次”
3月29日13時50分，距長六改運載火箭首飛還有4小時，太原衛星發射中心測控發射大廳裏，長六改運載火箭試驗隊員正在有序推進火箭發射前的各項加注及測試工作。不過，與以往火箭發射情形不同，此時前端塔架上所有操作人員早已安全撤離，後續發射流程都將通過測控發射大廳實現遠端控制——這是長六改運載火箭無人值守技術帶來的改變。
這是我國運載火箭無人值守技術的首次亮相。長六改運載火箭無人值守技術實現了我國運載火箭領域的三個“首次”：首次採用自動對接加注技術，可實現遠端全流程推進劑自動加注；首次採用零秒脫落技術，火箭箭地連接器在起飛瞬間自動脫落；首次實現推進劑加注開始後，發射場前端無人員值守。
“長六改運載火箭實現了發射前4個小時全體工作人員從發射塔架撤離，相比常規運載火箭發射流程提前了近3.5個小時。”洪剛說，為此他們全面梳理電氣、動力及箭地操作各方面的射前工作流程，提出了配合流程優化的一級加注連接器自動對接和脫落、二級加注連接器和整流罩空調送風連接器起飛零秒脫落等多項創新技術，最終實現了長六改運載火箭的“無人值守”，充分保障了最後一批撤離塔架的前方試驗隊員的安全。
加泄連接器，是運載火箭在加注或泄出推進劑時，箭上系統與地面支援系統之間的連接設備。在常規的火箭發射流程中，加泄連接器一般採用人工現場手動對接、自動脫落的方式，而長六改運載火箭打造的地面發射支援系統，將火箭芯一級的加泄連接器升級為一款可自動對接的“智慧機械臂”，以“一臂之力”實現了我國運載火箭的首次智慧化對接加注。
火箭加注前，會因為載荷變化或風力的影響產生隨機晃動。在火箭“隨風搖曳”的狀態下，怎麼才能讓機械臂對得準呢？八院805所設計師歷時4年攻關，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、霧等複雜天氣環境中準確獲取目標位置。
