長征六號改運(yùn)載火箭首飛成功 中國航天固體動力技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破
長征六號改運(yùn)載火箭首飛成功 我國航天固體動力技術(shù)實(shí)現(xiàn)重大突破 不同凡響的“混動版”火箭
本報(bào)記者 柴雅欣
長征家族再“添丁”！3月29日17時(shí)50分，長征六號改運(yùn)載火箭(以下簡稱“長六改運(yùn)載火箭”)在太原衛(wèi)星發(fā)射中心升空，搭載發(fā)射的浦江二號和天鯤二號衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道，首飛任務(wù)取得圓滿成功。長征六號改運(yùn)載火箭是我國新一代無毒無污染運(yùn)載火箭，是我國首型固體捆綁運(yùn)載火箭，用于發(fā)射太陽同步軌道衛(wèi)星。
“作為我國首型‘混合動力’的新一代長征系列運(yùn)載火箭，長六改運(yùn)載火箭成功首飛，實(shí)現(xiàn)了固體捆綁等一系列技術(shù)新突破，推動新一代運(yùn)載火箭邁向更高效、更智能、更安全的發(fā)展路徑。”中國航天科技集團(tuán)第八研究院長六改運(yùn)載火箭總指揮洪剛說。
1 “固液混合”更高效
我國運(yùn)載火箭領(lǐng)域固液發(fā)動機(jī)首次“跨界合作”
這次任務(wù)是長征系列運(yùn)載火箭的第412次發(fā)射。長六改運(yùn)載火箭誕生前，我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭中只有單純以固體發(fā)動機(jī)或液體發(fā)動機(jī)作為推力的運(yùn)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(yùn)載能力不小于4噸。據(jù)介紹，長六改運(yùn)載火箭的芯級采用液氧煤油發(fā)動機(jī)，其中，芯一級采用兩臺120噸推力的液氧煤油發(fā)動機(jī)，芯二級采用一臺推力18噸的液氧煤油發(fā)動機(jī)；芯級捆綁了4臺以固體燃料為動力的發(fā)動機(jī)作為助推器，為全箭提供了近70%的推力。它首次實(shí)現(xiàn)了我國運(yùn)載火箭領(lǐng)域固液發(fā)動機(jī)的“跨界合作”，突破了固體助推器捆綁與分離技術(shù)、捆綁點(diǎn)大集中力擴(kuò)散技術(shù)、固液捆綁聯(lián)合搖擺控制等關(guān)鍵技術(shù)。
固體助推發(fā)動機(jī)由中國航天科技集團(tuán)四院(以下簡稱“四院”)研制。據(jù)四院專家介紹，首飛成功標(biāo)志著固體動力進(jìn)入了我國主流運(yùn)載火箭領(lǐng)域，實(shí)現(xiàn)了我國航天固體動力技術(shù)的重大突破。
目前，我國運(yùn)載火箭以液體動力為主，那長六改運(yùn)載火箭選擇捆綁固體助推發(fā)動機(jī)的原因是什么？
從本身性能看，固體火箭動力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)相對簡單，發(fā)動機(jī)本身就是一個(gè)推力室，固體推進(jìn)劑預(yù)裝在發(fā)動機(jī)燃燒室內(nèi)�；鸺\(yùn)送到發(fā)射場，測試完成后即可實(shí)施發(fā)射，不用在發(fā)射場提前多天加注燃料和氧化劑，也不需要大量地面設(shè)備、資源進(jìn)行配合與保障，發(fā)射準(zhǔn)備周期更短。
固體發(fā)動機(jī)推力大、簡單可靠的特點(diǎn)，在長六改運(yùn)載火箭上也體現(xiàn)得淋漓盡致�；鸺炯壚壛�4臺固體助推發(fā)動機(jī)，單臺助推推力可達(dá)120噸，由此刷新了長征系列運(yùn)載火箭最快的“起跑”紀(jì)錄。
對于龐大的火箭發(fā)射系統(tǒng)而言，零件數(shù)量更少的固體動力系統(tǒng)，在可靠性和機(jī)動性方面有先天優(yōu)勢。借助固體發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、部組件少、可靠性高、操作維護(hù)方便、貯存時(shí)間長的優(yōu)勢，長六改運(yùn)載火箭箭上管路系統(tǒng)減少55%，使得固體助推器在發(fā)射場直接安裝、火箭14天快速發(fā)射成為現(xiàn)實(shí)。
從應(yīng)用場景看，近年來小衛(wèi)星市場蓬勃發(fā)展，軍事航天等領(lǐng)域?qū)焖龠M(jìn)入空間的需求不斷增加。固體動力運(yùn)載火箭具有快速響應(yīng)、機(jī)動性強(qiáng)、成本低等特點(diǎn)，由此成為世界主要航天大國發(fā)展的一大重點(diǎn)。
2010年初，長六改運(yùn)載火箭正式啟動方案論證工作。綜合技術(shù)發(fā)展趨勢和國內(nèi)的研究現(xiàn)狀，長六改運(yùn)載火箭從論證之初便確定了采用固體捆綁的總體思路，即采用液體芯級捆綁固體助推構(gòu)型。
跨界合作，優(yōu)勢互補(bǔ)。在運(yùn)載火箭動力系統(tǒng)中，液體發(fā)動機(jī)推力穩(wěn)、性能高、工作時(shí)間長，而固體發(fā)動機(jī)推力大、響應(yīng)快、工作可靠、使用維護(hù)簡單，可以免去在發(fā)射場復(fù)雜的加注流程。長六改運(yùn)載火箭充分發(fā)揮二者的綜合優(yōu)勢，大幅提升我國進(jìn)入空間、利用空間、探索空間的能力。
“火箭采用模塊化、組合化、系列化發(fā)展途徑，通過增減助推器數(shù)量，可獲得單芯級、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變體構(gòu)型，靈活實(shí)現(xiàn)各種推力需要，形成運(yùn)載能力覆蓋范圍廣、梯度合理，性價(jià)比高的運(yùn)載火箭系列，滿足未來衛(wèi)星多樣化的密集發(fā)射需求�！焙閯傉f。
2 “健康管家”更智能
發(fā)動機(jī)健康診斷系統(tǒng)為安全發(fā)射保駕護(hù)航
固體發(fā)動機(jī)雖然工作可靠、使用維護(hù)簡單，但存在一個(gè)“隱患”：一旦點(diǎn)火，哪怕遇到特殊情況也無法實(shí)施緊急關(guān)機(jī)�；鸺炯壊捎玫囊后w發(fā)動機(jī)，則能夠通過緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)關(guān)機(jī)。因此，在固體助推器點(diǎn)火為長六改運(yùn)載火箭提供強(qiáng)大起飛推力前，需要精確診斷火箭芯級液體發(fā)動機(jī)的健康狀態(tài)。只有確保芯級發(fā)動機(jī)健康無虞，固體助推器才能放心執(zhí)行點(diǎn)火程序。
那么，在火箭發(fā)射前，如何為發(fā)動機(jī)做一次全面的健康檢查？長六改運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)師們?yōu)榛鸺疽患壍囊后w發(fā)動機(jī)配置了一位快、準(zhǔn)、穩(wěn)的“健康管家”，即發(fā)動機(jī)健康診斷系統(tǒng)。據(jù)了解，目前國內(nèi)尚無在火箭發(fā)射中應(yīng)用發(fā)動機(jī)健康診斷系統(tǒng)的先例，此次發(fā)射任務(wù)的成功，進(jìn)一步驗(yàn)證了健康診斷系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)的正確性和工程應(yīng)用的可靠性。
快。芯級發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后，發(fā)動機(jī)健康診斷系統(tǒng)開始工作，此時(shí)固體助推器尚未點(diǎn)火，4臺助推器的重量將整個(gè)火箭牢牢固定在發(fā)射臺上。健康診斷系統(tǒng)診斷芯級發(fā)動機(jī)健康狀態(tài)僅需0.3秒，便可決定發(fā)射進(jìn)程能否繼續(xù)。之所以如此迅速，是因?yàn)樘热粼\斷時(shí)間過長，會持續(xù)消耗發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑，從而影響火箭運(yùn)載能力。
其實(shí)，我國液體運(yùn)載火箭都有一套緊急關(guān)機(jī)系統(tǒng)，這套系統(tǒng)通常設(shè)置在地面機(jī)柜中，一旦遇到緊急情況，地面設(shè)備可以發(fā)出關(guān)機(jī)指令。但是這次，長六改運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)師把這套系統(tǒng)搬到了火箭上。這個(gè)經(jīng)集成化、小型化設(shè)計(jì)后的系統(tǒng)，雖然僅有一本書大小，但芯片運(yùn)算能力強(qiáng)大，能夠快速精準(zhǔn)采集發(fā)動機(jī)參數(shù)并進(jìn)行實(shí)時(shí)診斷。在芯級液體發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后的2.5秒，健康診斷系統(tǒng)進(jìn)入發(fā)動機(jī)診斷窗口；2.5-2.8秒，在短短的0.3秒內(nèi)，這位“健康管家”完成對發(fā)動機(jī)健康狀況的診斷，一旦發(fā)現(xiàn)非正常的突發(fā)狀況，健康診斷系統(tǒng)將立刻實(shí)施自動緊急關(guān)機(jī)，同時(shí)助推器的固體發(fā)動機(jī)將不再點(diǎn)火。
準(zhǔn)。海量數(shù)據(jù)分析是準(zhǔn)確判斷的基礎(chǔ)，長六改運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)師們聯(lián)合發(fā)動機(jī)系統(tǒng)，詳細(xì)研究發(fā)動機(jī)健康診斷系統(tǒng)參數(shù)，從幾萬秒的試車數(shù)據(jù)中尋找規(guī)律，確定健康診斷系統(tǒng)的診斷算法，并進(jìn)行上百次仿真驗(yàn)證，在確保發(fā)動機(jī)不發(fā)生誤關(guān)機(jī)的同時(shí)，盡早發(fā)現(xiàn)故障。
穩(wěn)�；鸺炯壈l(fā)動機(jī)為低溫液氧煤油發(fā)動機(jī)，液氧的溫度為零下183℃，哪怕在設(shè)計(jì)師提供的“隔水隔熱服”的保護(hù)下，健康診斷系統(tǒng)周圍的環(huán)境依然在零下40℃；發(fā)動機(jī)點(diǎn)火后，周圍的溫度驟升為130℃，且伴隨著強(qiáng)烈振動，工作環(huán)境極其惡劣。為此，型號團(tuán)隊(duì)根據(jù)火箭起飛時(shí)刻的環(huán)境進(jìn)行了大量驗(yàn)證試驗(yàn)，從零下40℃到130℃、高強(qiáng)度沖擊、電磁兼容試驗(yàn)、1000余次強(qiáng)化考核……產(chǎn)品一次次地改進(jìn)、試驗(yàn)，終于練就了能適應(yīng)“冰火兩重天”的發(fā)動機(jī)健康診斷系統(tǒng)。
3 “無人值守”更安全
無人值守技術(shù)實(shí)現(xiàn)我國運(yùn)載火箭領(lǐng)域的三個(gè)“首次”
3月29日13時(shí)50分，距長六改運(yùn)載火箭首飛還有4小時(shí)，太原衛(wèi)星發(fā)射中心測控發(fā)射大廳里，長六改運(yùn)載火箭試驗(yàn)隊(duì)員正在有序推進(jìn)火箭發(fā)射前的各項(xiàng)加注及測試工作。不過，與以往火箭發(fā)射情形不同，此時(shí)前端塔架上所有操作人員早已安全撤離，后續(xù)發(fā)射流程都將通過測控發(fā)射大廳實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程控制——這是長六改運(yùn)載火箭無人值守技術(shù)帶來的改變。
這是我國運(yùn)載火箭無人值守技術(shù)的首次亮相。長六改運(yùn)載火箭無人值守技術(shù)實(shí)現(xiàn)了我國運(yùn)載火箭領(lǐng)域的三個(gè)“首次”：首次采用自動對接加注技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程全流程推進(jìn)劑自動加注；首次采用零秒脫落技術(shù)，火箭箭地連接器在起飛瞬間自動脫落；首次實(shí)現(xiàn)推進(jìn)劑加注開始后，發(fā)射場前端無人員值守。
“長六改運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了發(fā)射前4個(gè)小時(shí)全體工作人員從發(fā)射塔架撤離，相比常規(guī)運(yùn)載火箭發(fā)射流程提前了近3.5個(gè)小時(shí)�！焙閯傉f，為此他們?nèi)媸崂黼姎�、動力及箭地操作各方面的射前工作流程，提出了配合流程�?yōu)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(diào)送風(fēng)連接器起飛零秒脫落等多項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)，最終實(shí)現(xiàn)了長六改運(yùn)載火箭的“無人值守”，充分保障了最后一批撤離塔架的前方試驗(yàn)隊(duì)員的安全。
加泄連接器，是運(yùn)載火箭在加注或泄出推進(jìn)劑時(shí)，箭上系統(tǒng)與地面支持系統(tǒng)之間的連接設(shè)備。在常規(guī)的火箭發(fā)射流程中，加泄連接器一般采用人工現(xiàn)場手動對接、自動脫落的方式，而長六改運(yùn)載火箭打造的地面發(fā)射支持系統(tǒng)，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(jī)械臂”，以“一臂之力”實(shí)現(xiàn)了我國運(yùn)載火箭的首次智能化對接加注。
火箭加注前，會因?yàn)檩d荷變化或風(fēng)力的影響產(chǎn)生隨機(jī)晃動。在火箭“隨風(fēng)搖曳”的狀態(tài)下，怎么才能讓機(jī)械臂對得準(zhǔn)呢？八院805所設(shè)計(jì)師歷時(shí)4年攻關(guān)，賦予了機(jī)械臂自主學(xué)習(xí)和空間姿態(tài)捕獲的能力，讓它像長了“大腦和眼睛”一樣，具備了動態(tài)測量、實(shí)時(shí)跟蹤的本事，可以確保在雨、雪、霧等復(fù)雜天氣環(huán)境中準(zhǔn)確獲取目標(biāo)位置。
