快速研制一款全新組合型火箭
——長(zhǎng)征八號(hào)火箭的研制理念與技術(shù)創(chuàng)新

文/ 任悅鳴

▲ 廠房里的長(zhǎng)征八號(hào)運(yùn)載火箭 宿東攝

新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征八號(hào)首飛成功，與火箭一同騰空而起的除了5 顆衛(wèi)星之外，還有各項(xiàng)有待驗(yàn)證的設(shè)計(jì)思路和創(chuàng)新技術(shù)。

長(zhǎng)征八號(hào)不負(fù)眾望，首飛取得圓滿成功，不僅驗(yàn)證了火箭總體方案設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性，還證實(shí)了基于“模塊化、系列化、組合化”研制理念的正確性，以及在國(guó)內(nèi)首次實(shí)踐的全箭模態(tài)綜合技術(shù)的可行性。

這些研制理念和技術(shù)的創(chuàng)新實(shí)踐，為我國(guó)后續(xù)新一代運(yùn)載火箭快速集成、快速形成能力、降低研制成本，進(jìn)一步提升我國(guó)運(yùn)載能力提供了科學(xué)依據(jù)。

▲ 長(zhǎng)征五號(hào)B 運(yùn)載火箭

如何用最短時(shí)間研制一款新火箭

“長(zhǎng)征八號(hào)運(yùn)載火箭工程從立項(xiàng)研制到首飛成功，僅用時(shí)3 年多時(shí)間，創(chuàng)造了中國(guó)運(yùn)載火箭研制時(shí)間最短的紀(jì)錄，這在我國(guó)火箭研制歷史上是不多見的。”長(zhǎng)八火箭總設(shè)計(jì)師宋征宇介紹。

可以說，長(zhǎng)八火箭之所以能在較短時(shí)間內(nèi)研制并首飛成功，正是得益于“模塊化、系列化、組合化”的研制理念和全箭模態(tài)綜合技術(shù)的運(yùn)用。

宋征宇用10 個(gè)字概括了長(zhǎng)八火箭的特點(diǎn)，那便是“跨代融合、有內(nèi)涵、輕資產(chǎn)”，在他看來，突破基于模塊組合的快速集成設(shè)計(jì)，代表了航天技術(shù)發(fā)展的趨勢(shì)，是跨代融合的體現(xiàn)。

長(zhǎng)八火箭首飛試驗(yàn)隊(duì)顛覆傳統(tǒng)理念，打破以往每設(shè)計(jì)一款火箭就從頭出發(fā)的傳統(tǒng)思維，火箭設(shè)計(jì)師們以模塊化組合、產(chǎn)品化選用為原則，充分繼承在役火箭的共用技術(shù)和產(chǎn)品，借鑒已有的試驗(yàn)驗(yàn)證成果，深入貫徹共用產(chǎn)品使用思想，快速完成研制，踐行運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路，以最小代價(jià)、最短時(shí)間完成型號(hào)的集成研制。

長(zhǎng)八火箭副總設(shè)計(jì)師吳義田告訴記者，“模塊化”是研制新一代運(yùn)載火箭時(shí)，針對(duì)不同軌道和不同運(yùn)載能力需求，把成熟的技術(shù)和產(chǎn)品繼承過來的研制思路，是研制優(yōu)化、高效精確的選擇。

站上“巨人兄弟”的肩膀

中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研制火箭的歷史已長(zhǎng)達(dá)數(shù)十年之久，對(duì)新一代運(yùn)載火箭也有20 余年的研制經(jīng)驗(yàn)，在航天事業(yè)飛速發(fā)展的環(huán)境中，不能每次遇到新型號(hào)都把所有的工序重新來過。

此前，在我國(guó)新一代運(yùn)載火箭的論證過程中，以液氧煤油和液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，提出了新一代大、中、小型運(yùn)載火箭的發(fā)展構(gòu)想，并通過20 多年的預(yù)研和工程研制，成功研制了長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)等新一代運(yùn)載火箭，形成了2.25 米和3.35 米直徑通用模塊，為我國(guó)新一代運(yùn)載火箭“模塊化、系列化、組合化”發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

研制團(tuán)隊(duì)在論證過程中，從我國(guó)現(xiàn)有的火箭模塊里，進(jìn)行了幾百種搭配，不斷創(chuàng)新研制思路和方案，最終提出了現(xiàn)在的構(gòu)型，即長(zhǎng)八火箭一子級(jí)狀態(tài)與長(zhǎng)征七號(hào)火箭芯一級(jí)基本一致，二子級(jí)狀態(tài)與長(zhǎng)三甲系列火箭三級(jí)基本一致。

長(zhǎng)八火箭的產(chǎn)品化率達(dá)到了95%，將成熟模塊進(jìn)行匹配，用好各個(gè)產(chǎn)品，做到系統(tǒng)匹配、方案正確，是其成功的秘訣。

吳義田介紹，長(zhǎng)七火箭經(jīng)過8 年研制，經(jīng)歷十分充足的地面驗(yàn)證試驗(yàn)和飛行試驗(yàn)；長(zhǎng)三甲系列火箭更是眾所周知的金牌火箭，經(jīng)歷過上百次飛行，技術(shù)非常成熟。將兩個(gè)成熟的模塊組合在一起，形成一款全新的產(chǎn)品，可以大幅節(jié)省研發(fā)的時(shí)間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

長(zhǎng)八火箭采用了液氧、煤油、液氫3 種推進(jìn)劑，在推進(jìn)劑的保障與控制上，長(zhǎng)五火箭、長(zhǎng)七火箭在文昌的發(fā)射經(jīng)驗(yàn)可以適用于長(zhǎng)八火箭。與此同時(shí)，長(zhǎng)八火箭的電氣系統(tǒng)高度繼承了長(zhǎng)七火箭，在地面設(shè)備上可以高度兼容，相應(yīng)的產(chǎn)品及測(cè)發(fā)經(jīng)驗(yàn)可以很好地為長(zhǎng)八火箭保駕護(hù)航。

從立項(xiàng)到首飛，長(zhǎng)五火箭用了10年，長(zhǎng)七火箭用了8 年，長(zhǎng)八火箭在這兩位“兄長(zhǎng)”堅(jiān)實(shí)的肩膀上，僅用了3 年多時(shí)間?？焖傺兄频膶?shí)現(xiàn)，是中國(guó)航天技術(shù)60 多年自力更生發(fā)展的結(jié)果，也是新一代運(yùn)載火箭“模塊化、系列化、組合化”設(shè)計(jì)理念的具體實(shí)踐，它的成功，增添了中國(guó)航天快速設(shè)計(jì)全新組合型火箭的信心。

直面“搭積木”式造火箭帶來的挑戰(zhàn)

有些人乍一聽“模塊組合”，往往會(huì)聯(lián)想到兒時(shí)玩過的搭積木，誤以為是用現(xiàn)成的產(chǎn)品進(jìn)行簡(jiǎn)單拼接。但事實(shí)上，每一款火箭都是系統(tǒng)工程，內(nèi)部的電氣系統(tǒng)、動(dòng)力系統(tǒng)等都必須一一適配，并非搭積木那么簡(jiǎn)單，在實(shí)際研制過程中也有很多新挑戰(zhàn)。

長(zhǎng)八火箭總指揮肖耘告訴記者，以目前中國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展的速度和高度，很難有極具顛覆性的創(chuàng)新?！八晕覀儸F(xiàn)在要重點(diǎn)圍繞集成創(chuàng)新下功夫，利用成熟模塊和產(chǎn)品，縮短研制周期、降低研制成本，不是將兩個(gè)產(chǎn)品簡(jiǎn)單串聯(lián)在一起就可以，這個(gè)過程中，需要突破很多集成創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)?！毙ぴ耪f。

“新型號(hào)不可避免地會(huì)遇到新問題和新困難。”吳義田坦言，長(zhǎng)八火箭采用的成熟模塊，原本的設(shè)計(jì)目標(biāo)都具有比較強(qiáng)的針對(duì)性，因此，在組合過程中會(huì)出現(xiàn)各種問題。

長(zhǎng)八火箭的二級(jí)高度與長(zhǎng)七火箭有所不同，需要對(duì)發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行適當(dāng)改造，除此之外，長(zhǎng)八火箭是首次在文昌進(jìn)行南射向的發(fā)射，整個(gè)發(fā)射過程的安全性控制需要重新制定方案。

吳義田進(jìn)一步解釋說，長(zhǎng)七火箭是新一代火箭，長(zhǎng)三甲是傳統(tǒng)火箭，兩種火箭要搭配相同的電氣系統(tǒng)進(jìn)行匹配。而且，長(zhǎng)七火箭是以載人為可靠性標(biāo)準(zhǔn)，冗余程度比較高，作為未來商業(yè)火箭，長(zhǎng)八火箭要在確?？煽康幕A(chǔ)上，盡可能地對(duì)冗余進(jìn)行減裁，實(shí)現(xiàn)接口的兼容，優(yōu)化成本。

長(zhǎng)八火箭首飛試驗(yàn)隊(duì)做了很多努力，認(rèn)真吃透各個(gè)環(huán)節(jié)的技術(shù)，摸透產(chǎn)品每一個(gè)細(xì)節(jié)，盡可能地了解各個(gè)組件的“脾氣秉性”。宋征宇指出，作為一款組合型火箭，拿到具備一定條件的成熟模塊后，研制團(tuán)隊(duì)要想方設(shè)法適應(yīng)它，并讓成熟模塊滿足新的飛行條件。

長(zhǎng)八火箭從外形、硬件產(chǎn)品上看，都分別與另外兩款模塊基本一致，但它在彈道設(shè)計(jì)，飛行剖面設(shè)計(jì)以及飛行過程中的自主控制等方面，都進(jìn)行了一系列調(diào)整，找到了讓火箭飛行最為舒適的姿態(tài)，從而實(shí)現(xiàn)了這個(gè)組合體的創(chuàng)新集成設(shè)計(jì)，為模塊化研制探索了一條新路子。這些研制模式對(duì)于歷史悠久的中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院乃至航天產(chǎn)業(yè)而言，都是高效且經(jīng)濟(jì)的優(yōu)秀方案，為航天事業(yè)快速發(fā)展提供新思路。

▲ 長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭

▲ 發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)

不做全箭模態(tài)試驗(yàn)也能成功首飛

全箭模態(tài)試驗(yàn)是在首飛之前，按照首飛產(chǎn)品狀態(tài)打造出一款一模一樣的模態(tài)產(chǎn)品，且用于試驗(yàn)的振動(dòng)塔也要1：1 建造，獲取準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，驗(yàn)證首飛產(chǎn)品的可靠性。

由于模態(tài)箭生產(chǎn)工程量巨大、周期長(zhǎng)、制作費(fèi)用高昂，長(zhǎng)八火箭首飛試驗(yàn)隊(duì)在研制過程中，取消了全箭模態(tài)試驗(yàn)，使長(zhǎng)八火箭成為我國(guó)首個(gè)在研制中未開展全箭模態(tài)試驗(yàn)的中大型火箭。

那么，不做模態(tài)試驗(yàn)，火箭的可靠性又該如何保證呢？

原來，長(zhǎng)八首飛試驗(yàn)隊(duì)在已有模塊的試驗(yàn)數(shù)據(jù)及動(dòng)力學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過全箭動(dòng)力學(xué)模型組裝和數(shù)字仿真計(jì)算等方式，采用虛實(shí)結(jié)合的模態(tài)綜合分析技術(shù)，獲取全箭動(dòng)特性數(shù)據(jù)。

模態(tài)綜合分析技術(shù)是以“模塊化”研制為基礎(chǔ)，各個(gè)模塊在相應(yīng)的型號(hào)研制試驗(yàn)中，已積累了很多經(jīng)驗(yàn)，可靠性很高，可直接獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)。這樣一來，不僅減少了試驗(yàn)測(cè)試的工作量，研制周期縮短近一年，還省了一發(fā)真火箭的成本，讓長(zhǎng)征八號(hào)火箭真正做到降本增效，不僅有技術(shù)、有內(nèi)涵，而且輕資產(chǎn)、少負(fù)擔(dān)。

“取消首飛前的模態(tài)試驗(yàn)是很多火箭產(chǎn)品共同的期望，希望能通過數(shù)字仿真技術(shù)，避免振動(dòng)塔的建設(shè)。”肖耘指出。

作為第一次嘗試模態(tài)綜合技術(shù)的長(zhǎng)八火箭首飛試驗(yàn)隊(duì)，他們找了多家單位進(jìn)行仿真分析試驗(yàn)，對(duì)結(jié)果差異點(diǎn)進(jìn)行仔細(xì)分析，一個(gè)個(gè)對(duì)比?！澳B(tài)綜合分析技術(shù)驗(yàn)證成功，可以消除設(shè)計(jì)人員的心理障礙。中國(guó)航天人已經(jīng)有能力通過仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)全箭模態(tài)綜合分析，不再依賴以往的實(shí)物試驗(yàn)了?！毙ぴ耪f。

長(zhǎng)八火箭相關(guān)研制模式和技術(shù)的探索，為后續(xù)其他大型、重型運(yùn)載火箭快速、經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對(duì)中國(guó)航天未來火箭研制全流程提質(zhì)增效起到促進(jìn)作用，為我國(guó)航天事業(yè)高質(zhì)量、高效益、高效率發(fā)展添磚加瓦，進(jìn)一步加快航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)速度。

▲ 長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭

新模式讓長(zhǎng)八火箭更從容

除了技術(shù)創(chuàng)新，長(zhǎng)八火箭在研制流程、研制管理方面也做了大量的創(chuàng)新和突破。作為中國(guó)航天率先完全按項(xiàng)目制管理的宇航型號(hào)，長(zhǎng)八火箭在設(shè)計(jì)理念、管理方式上，采取了許多創(chuàng)新性的措施和模式。

“在研制隊(duì)伍組織、研制經(jīng)費(fèi)管理、項(xiàng)目全壽命周期管理等方面，研制隊(duì)伍都進(jìn)行了大膽的嘗試和突破，為中國(guó)航天推進(jìn)項(xiàng)目制管理探索出了一條道路。”肖耘說。

為了避免型號(hào)隊(duì)伍在發(fā)射場(chǎng)發(fā)生低層次、重復(fù)性質(zhì)量問題，型號(hào)隊(duì)伍以“兩維度、四梳理、六模塊、八步驟”為指導(dǎo)思想，開展了發(fā)射場(chǎng)工作流程精細(xì)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用實(shí)踐，并配套建設(shè)了發(fā)射場(chǎng)工作流程精細(xì)化設(shè)計(jì)及應(yīng)用平臺(tái)，將工作目標(biāo)分解細(xì)化和逐步落實(shí)，將籠統(tǒng)模糊的管理要求、個(gè)人技能和知識(shí)經(jīng)驗(yàn)等分解轉(zhuǎn)化為一條條具體的、明確的、可檢可測(cè)、可落地的措施。

型號(hào)隊(duì)伍以數(shù)字化手段支撐發(fā)射場(chǎng)精細(xì)化工作流程的落地實(shí)施，打通了流程和崗位兩個(gè)維度，解決不同崗位人員在發(fā)射場(chǎng)工作的不同需求，實(shí)現(xiàn)了對(duì)發(fā)射場(chǎng)工作的全面精細(xì)化管理。

“把無序變?yōu)橛行?，把?fù)雜變?yōu)楹?jiǎn)單，把失控變?yōu)榭煽?，做到人易事不易。通過制度和工具保障流程精細(xì)化設(shè)計(jì)成果和措施可有效落地，這樣才可以讓型號(hào)連續(xù)成功，在成功的模式中迭代前進(jìn)?！毙ぴ耪f。