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填补国内空白!中国首款固体捆绑运载火箭发射成功

填补国内空白!中国首款固体捆绑运载火箭发射成功

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【环球时报-环球网报道 记者 樊巍】2022年3月29日下午17时50分,由中国航天科技集团八院抓总研制的中国首款固体捆绑运载火箭长征六号改,在太原卫星发射中心点火升空,成功将两颗卫星送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。此次发射任务的成功,标志着中国航天科技集团填补了我国固液混合动力运载火箭空白,中国从此拥有了液体动力芯级+固体动力助推的“固液混动”运载火箭。

液体火箭发动机具有性能高、工作时间长的优点,可平稳精准地将卫星送入预定轨道;而固体火箭发动机则具有推力大、结构相对简单、可靠性高、操作维护方便、贮存时间长,可以免去在发射场复杂的加注流程的特殊优势。采用固体助推器与液体芯级的组合,可以充分发挥固体大推力、液体长时间高比冲的技术优点,从而实现运载火箭动力系统技术性与经济性的完美结合。这种“混合动力”的组合是国外典型运载火箭动力系统的主要组成方式,已经有数十年的发展历程,例如美国的宇宙神5、欧洲的阿里安5、日本的H-2A等,均有过多次成功发射的记录。在我国现役运载火箭中,有单纯以固体发动机或液体发动机作为推力的运载火箭,但固体捆绑运载火箭的研制尚属头一次。

据《环球时报》记者了解,长征六号改运载火箭的芯一、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,芯级捆绑了4台由航天科技集团四院研发的2米直径的助推器。助推器采用两段式120吨推力固体发动机。火箭全箭总长约50米,全箭起飞重量约530吨,700公里太阳同步轨道运载能力不小于4吨。

采用“固液混动”组合的运载火箭虽具有更高效、更经济的优势,然而这种组合绝非液体火箭发动机与固体火箭发动机的简单并联,想要将两种“脾气”和“性格”完全不一样的火箭发动机应用到同一款火箭身上,并发挥各自的优势,需要突破诸多技术上的瓶颈。

火箭研发团队首先需要面临的就是如何应对固体火箭发动机“开弓没有回头箭”的问题。中国航天科技集团八院长六改总体主任设计师杨帆向《环球时报》记者介绍称,固体发动机虽然具有工作可靠、使用维护简单的优点,但却存在一旦点火就无法实施紧急关机的情况;相反,火箭的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,就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,固体助推器才可以执行点火程序。

为解决这一问题,长六改火箭的设计师们创新性地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。中国航天科技集团八院长六改电气系统主任设计师王猛告诉《环球时报》记者,这套系统在芯级发动机点火后开始工作,此时固体助推器尚未点火产生强大的起飞推力,四个助推器的重量可以将整个火箭牢牢固定在发射台上。这位“健康管家”仅有0.3秒的时间,对芯级发动机健康状态进行迅速诊断,从而决定发射进程能否继续;如果诊断时间过长,则会持续消耗发动机的推进剂,影响火箭的运载能力。

“这个经集成化、小型化设计后的系统,仅有一本B5书的大小,但其强大的芯片运算能力、快速精准采集发动机参数并进行实时诊断的本事却不可小觑。在芯级液体发动机点火后的2.5秒,健康诊断系统进入发动机诊断窗口;2.5-2.8秒,在短短的0.3秒内,这套系统需要在前期收集的大量数据基础上,对发动机的健康状况进行诊断:若监测到发动机存在问题,要在须臾间完成故障发动机自动紧急关机,确保固体助推器不再执行点火程序。目前国内也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。”王猛称。

而从发动机点火到星箭分离的1000多秒时间里,运载火箭会经历固体助推器与芯级分离、整流罩分离、一二级分离、星箭分离等一系列动作,每一步都至关重要,特别是一级与助推联合飞行段,这是一段堪称“刚柔并济”的飞行体验,中国航天科技集团八院长六改控制系统副主任设计师胡存明告诉《环球时报》记者,此时,火箭助推器的固体发动机和芯级液体发动机会同时工作,给火箭的控制系统带来了巨大挑战。

“固体发动机推力大,四个固体助推器能为全箭提供了近70%的推力,但本身存在推力全程不稳定的问题,不像液体发动机可以持续输出一条平稳的直线。” 胡存明介绍称,“捆绑在火箭四个方位的固体助推器,点火后也做不到完全‘步调一致’,有的是‘急性子’,有的稍微慢一点,这会对火箭产生一定的翻转力矩。”为此,火箭控制系统研制团队对各类极限条件进行了全面的仿真与评估,采用固体捆绑火箭三通道联合摇摆控制方案,将液氧煤油发动机+液压伺服机构与固体发动机+电动伺服机构这种跨界混搭组合牢牢“拿捏”,确保火箭的平稳飞行。

而在火箭在飞行过程中,芯级与助推器发动机在程序转弯过程中都要摆动,共同参加火箭的姿态控制,而两种发动机的特点不同、伺服机构的动态特性不同,则意味着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,长六改运载火箭创新性的采用了联合摇摆控制方案,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,从而让火箭优雅端庄、信步苍穹。

此外,作为一枚捆绑火箭,火箭助推器在完成“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。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。

而此次发射任务也创造了火箭发射前4小时,前端操作人员全部撤离塔架,火箭通过无人值守技术完成后续的发射流程。中国航天科技集团八院长六改动力系统主任设计师孙礼杰介绍称,长征六号改火箭无人值守技术实现了我国在运载领域的三个“首次”:首次采用自动对接加注技术,可实现远程全流程推进剂自动加注;首次采用零秒脱落技术,火箭箭地连接器在起飞瞬间自动脱落;首次实现推进剂加注开始后,发射场前端无人员值守,有效保障了火箭发射任务的安全性。

据《环球时报》记者了解,此次长六改运载火箭的成功也意味着我国突破了以固体发动机作为火箭助推器的一系列关键技术。航天科技集团四院固体运载发动机系列总设计师王健儒在接受《环球时报》记者采访时透露,目前,直径3.2米3分段固体发动机已经试车成功,这将使中国大型固体发动机自主创新的研制能力和水平得到进一步提升。下一步,将进一步扩展段式,必将对中国运载能力的提升起到巨大的推动作用。而未来,固体火箭发动机还可以应用于大型、重型运载火箭固体助推器中,将单段规模进行拓展,发动机推力将大幅提升,可满足我国空间装备、载人登月、深空探索的发展需求,为建立并完善国内的固体、液体运载火箭相结合的完善的航天运输系统,构建国内快速空间信息支援能力和控制空间能力提供了动力支撑。

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