固液混動(dòng)　信步蒼穹

張蕾

2022年3月29日，由中國(guó)航天科技集團(tuán)八院抓總研制的我國(guó)首型固體捆綁運(yùn)載火箭長(zhǎng)征六號(hào)改（以下簡(jiǎn)稱(chēng)“長(zhǎng)六改”）在太原衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，成功將兩顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。

回顧我國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展史，長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭已邁入400+發(fā)射的嶄新征程，但尚未有固體捆綁火箭的先例。作為我國(guó)新一代同時(shí)也是首型“混合動(dòng)力”長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭，長(zhǎng)六改在技術(shù)難度高、系統(tǒng)復(fù)雜的航天領(lǐng)域也算是“玩”了一把跨界，充分發(fā)揮液體發(fā)動(dòng)機(jī)性能高、工作時(shí)間長(zhǎng)和固體發(fā)動(dòng)機(jī)推力大、工作可靠、使用維護(hù)簡(jiǎn)單的綜合優(yōu)勢(shì)，進(jìn)一步完善了運(yùn)載火箭型譜，大幅提升了我國(guó)進(jìn)入、利用和探索空間的能力。

固體發(fā)動(dòng)機(jī)推力大、簡(jiǎn)單可靠的特點(diǎn)，在長(zhǎng)六改上體現(xiàn)得淋漓盡致。據(jù)中國(guó)航天科技集團(tuán)八院長(zhǎng)六改總指揮洪剛介紹，長(zhǎng)六改的芯一級(jí)捆綁了4臺(tái)以固體燃料為動(dòng)力的助推器，單枚助推推力可達(dá)120噸，刷新了長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的最快“起跑”紀(jì)錄。同時(shí)，借助固體發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單、部組件少、可靠性高、操作維護(hù)方便、貯存時(shí)間長(zhǎng)的優(yōu)勢(shì)，長(zhǎng)六改箭上的管路系統(tǒng)減少了55%，可在發(fā)射場(chǎng)直接安裝固體助推器，實(shí)現(xiàn)捆綁火箭14天快速發(fā)射。

不過(guò)，如此一枚“硬漢”，并非我們想象中的“糙漢”?！盀榱丝朔陲w行過(guò)程中固液發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合工作帶來(lái)的復(fù)雜力和熱環(huán)境，我們建立了全面完整的捆綁火箭力學(xué)環(huán)境條件設(shè)計(jì)方法體系和氣固兩相噴流底部熱環(huán)境預(yù)示模型，并在國(guó)內(nèi)首次定量描述了聲致振動(dòng)特性，通過(guò)精準(zhǔn)預(yù)示和控制措施，有效確保了衛(wèi)星‘乘客’的乘坐舒適性。”中國(guó)航天科技集團(tuán)八院長(zhǎng)六改總設(shè)計(jì)師張衛(wèi)東說(shuō)。

據(jù)悉，長(zhǎng)六改的捆綁連接解鎖裝置屬于“前端輔助傳力+后端主傳力”，相當(dāng)于利用“肩扛+托舉”兩種力量連接起助推器與芯級(jí)。為了進(jìn)一步優(yōu)化結(jié)構(gòu)重量，研制團(tuán)隊(duì)打造了一款輕量化捆綁連接解鎖裝置，在運(yùn)載火箭停放和飛行階段下，可承受并有效傳遞軸向和徑向載荷。

不過(guò)，完成“使命”后，助推器與芯級(jí)安全分離，是捆綁火箭飛行過(guò)程中最關(guān)鍵的分離程序之一。“為了確保在惡劣的力熱環(huán)境、發(fā)動(dòng)機(jī)后效推力、氣動(dòng)阻力等復(fù)雜干擾情況下，助推器與芯級(jí)能夠安全分離，研制團(tuán)隊(duì)合理選擇分離動(dòng)力源并優(yōu)化布局，結(jié)合分離時(shí)序等設(shè)計(jì)，消除了眾多干擾因素對(duì)分離的影響，確保助推器分得開(kāi)、分得穩(wěn)?！睋?jù)洪剛講，在研制階段，長(zhǎng)六改成功實(shí)施3次固體助推捆綁地面分離試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證了助推分離技術(shù)方案的有效性。

在飛行過(guò)程中，長(zhǎng)六改的芯級(jí)與助推器發(fā)動(dòng)機(jī)都要擺動(dòng)，共同控制火箭的姿態(tài)。由于固液兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的特點(diǎn)和伺服機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)特性不同，芯級(jí)與助推器之間勢(shì)必存在干擾，給火箭的穩(wěn)定飛行帶來(lái)不利影響。為此，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用聯(lián)合搖擺控制方案，通過(guò)優(yōu)化不同飛行階段的擺角分配，克服了長(zhǎng)六改在飛行過(guò)程中受到的諸多干擾，讓火箭能夠“優(yōu)雅端莊”地信步蒼穹。

在固體助推器分離的瞬間，失去了大推力固體發(fā)動(dòng)機(jī)的加持，長(zhǎng)六改可能面臨“空中大剎車(chē)”的危險(xiǎn)。怎么辦？研制團(tuán)隊(duì)想出了妙招——助推分離前，讓火箭控制系統(tǒng)智能監(jiān)測(cè)固體發(fā)動(dòng)機(jī)的工作狀態(tài)，將整箭控制策略從最初的聯(lián)合擺動(dòng)控制平穩(wěn)過(guò)渡到芯級(jí)單獨(dú)控制，從而最大限度地保證了火箭拋掉助推前后的穩(wěn)定飛行。