长征六号改运载火箭首飞成功 我国航天固体动力技术实现重大突破 不同凡响的“混动版”火箭

　　本报记者 柴雅欣

　　长征家族再“添丁”！3月29日17时50分，长征六号改运载火箭(以下简称“长六改运载火箭”)在太原卫星发射中心升空，搭载发射的浦江二号和天鲲二号卫星顺利进入预定轨道，首飞任务取得圆满成功。长征六号改运载火箭是我国新一代无毒无污染运载火箭，是我国首型固体捆绑运载火箭，用于发射太阳同步轨道卫星。

　　“作为我国首型‘混合动力’的新一代长征系列运载火箭，长六改运载火箭成功首飞，实现了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、更安全的发展路径。”中国航天科技集团第八研究院长六改运载火箭总指挥洪刚说。

　　1 “固液混合”更高效

　　我国运载火箭领域固液发动机首次“跨界合作”

　　这次任务是长征系列运载火箭的第412次发射。长六改运载火箭诞生前，我国现役运载火箭中只有单纯以固体发动机或液体发动机作为推力的运载火箭，固液“混动版”尚无先例。

　　火箭全箭总长约50米，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。据介绍，长六改运载火箭的芯级采用液氧煤油发动机，其中，芯一级采用两台120吨推力的液氧煤油发动机，芯二级采用一台推力18吨的液氧煤油发动机；芯级捆绑了4台以固体燃料为动力的发动机作为助推器，为全箭提供了近70%的推力。它首次实现了我国运载火箭领域固液发动机的“跨界合作”，突破了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。

　　固体助推发动机由中国航天科技集团四院(以下简称“四院”)研制。据四院专家介绍，首飞成功标志着固体动力进入了我国主流运载火箭领域，实现了我国航天固体动力技术的重大突破。

　　目前，我国运载火箭以液体动力为主，那长六改运载火箭选择捆绑固体助推发动机的原因是什么？

　　从本身性能看，固体火箭动力系统结构相对简单，发动机本身就是一个推力室，固体推进剂预装在发动机燃烧室内。火箭运送到发射场，测试完成后即可实施发射，不用在发射场提前多天加注燃料和氧化剂，也不需要大量地面设备、资源进行配合与保障，发射准备周期更短。

　　固体发动机推力大、简单可靠的特点，在长六改运载火箭上也体现得淋漓尽致。火箭芯级捆绑了4台固体助推发动机，单台助推推力可达120吨，由此刷新了长征系列运载火箭最快的“起跑”纪录。

　　对于庞大的火箭发射系统而言，零件数量更少的固体动力系统，在可靠性和机动性方面有先天优势。借助固体发动机结构相对简单、部组件少、可靠性高、操作维护方便、贮存时间长的优势，长六改运载火箭箭上管路系统减少55%，使得固体助推器在发射场直接安装、火箭14天快速发射成为现实。

　　从应用场景看，近年来小卫星市场蓬勃发展，军事航天等领域对快速进入空间的需求不断增加。固体动力运载火箭具有快速响应、机动性强、成本低等特点，由此成为世界主要航天大国发展的一大重点。

　　2010年初，长六改运载火箭正式启动方案论证工作。综合技术发展趋势和国内的研究现状，长六改运载火箭从论证之初便确定了采用固体捆绑的总体思路，即采用液体芯级捆绑固体助推构型。

　　跨界合作，优势互补。在运载火箭动力系统中，液体发动机推力稳、性能高、工作时间长，而固体发动机推力大、响应快、工作可靠、使用维护简单，可以免去在发射场复杂的加注流程。长六改运载火箭充分发挥二者的综合优势，大幅提升我国进入空间、利用空间、探索空间的能力。

　　“火箭采用模块化、组合化、系列化发展途径，通过增减助推器数量，可获得单芯级、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变体构型，灵活实现各种推力需要，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。”洪刚说。

　　2 “健康管家”更智能

　　发动机健康诊断系统为安全发射保驾护航

　　固体发动机虽然工作可靠、使用维护简单，但存在一个“隐患”：一旦点火，哪怕遇到特殊情况也无法实施紧急关机。火箭芯级采用的液体发动机，则能够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运载火箭提供强大起飞推力前，需要精确诊断火箭芯级液体发动机的健康状态。只有确保芯级发动机健康无虞，固体助推器才能放心执行点火程序。

　　那么，在火箭发射前，如何为发动机做一次全面的健康检查？长六改运载火箭的设计师们为火箭芯一级的液体发动机配置了一位快、准、稳的“健康管家”，即发动机健康诊断系统。据了解，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和工程应用的可靠性。

　　快。芯级发动机点火后，发动机健康诊断系统开始工作，此时固体助推器尚未点火，4台助推器的重量将整个火箭牢牢固定在发射台上。健康诊断系统诊断芯级发动机健康状态仅需0.3秒，便可决定发射进程能否继续。之所以如此迅速，是因为倘若诊断时间过长，会持续消耗发动机推进剂，从而影响火箭运载能力。

　　其实，我国液体运载火箭都有一套紧急关机系统，这套系统通常设置在地面机柜中，一旦遇到紧急情况，地面设备可以发出关机指令。但是这次，长六改运载火箭设计师把这套系统搬到了火箭上。这个经集成化、小型化设计后的系统，虽然仅有一本书大小，但芯片运算能力强大，能够快速精准采集发动机参数并进行实时诊断。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，这位“健康管家”完成对发动机健康状况的诊断，一旦发现非正常的突发状况，健康诊断系统将立刻实施自动紧急关机，同时助推器的固体发动机将不再点火。

　　准。海量数据分析是准确判断的基础，长六改运载火箭的设计师们联合发动机系统，详细研究发动机健康诊断系统参数，从几万秒的试车数据中寻找规律，确定健康诊断系统的诊断算法，并进行上百次仿真验证，在确保发动机不发生误关机的同时，尽早发现故障。

　　稳。火箭芯级发动机为低温液氧煤油发动机，液氧的温度为零下183℃，哪怕在设计师提供的“隔水隔热服”的保护下，健康诊断系统周围的环境依然在零下40℃；发动机点火后，周围的温度骤升为130℃，且伴随着强烈振动，工作环境极其恶劣。为此，型号团队根据火箭起飞时刻的环境进行了大量验证试验，从零下40℃到130℃、高强度冲击、电磁兼容试验、1000余次强化考核……产品一次次地改进、试验，终于练就了能适应“冰火两重天”的发动机健康诊断系统。

　　3 “无人值守”更安全

　　无人值守技术实现我国运载火箭领域的三个“首次”

　　3月29日13时50分，距长六改运载火箭首飞还有4小时，太原卫星发射中心测控发射大厅里，长六改运载火箭试验队员正在有序推进火箭发射前的各项加注及测试工作。不过，与以往火箭发射情形不同，此时前端塔架上所有操作人员早已安全撤离，后续发射流程都将通过测控发射大厅实现远程控制——这是长六改运载火箭无人值守技术带来的改变。

　　这是我国运载火箭无人值守技术的首次亮相。长六改运载火箭无人值守技术实现了我国运载火箭领域的三个“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。

　　“长六改运载火箭实现了发射前4个小时全体工作人员从发射塔架撤离，相比常规运载火箭发射流程提前了近3.5个小时。”洪刚说，为此他们全面梳理电气、动力及箭地操作各方面的射前工作流程，提出了配合流程优化的一级加注连接器自动对接和脱落、二级加注连接器和整流罩空调送风连接器起飞零秒脱落等多项创新技术，最终实现了长六改运载火箭的“无人值守”，充分保障了最后一批撤离塔架的前方试验队员的安全。

　　加泄连接器，是运载火箭在加注或泄出推进剂时，箭上系统与地面支持系统之间的连接设备。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，而长六改运载火箭打造的地面发射支持系统，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。

　　火箭加注前，会因为载荷变化或风力的影响产生随机晃动。在火箭“随风摇曳”的状态下，怎么才能让机械臂对得准呢？八院805所设计师历时4年攻关，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。