長六改：我國首型固液捆綁式火箭

文/航箭

（感謝趙聰、李紅兵、李同等對本文的貢獻。除署名外，本文照片均為孫公明攝。）

3月29日17時50分，在太原衛(wèi)星發(fā)射中心新建發(fā)射工位，長征六號改運載火箭首次點火起飛，順利將浦江二號衛(wèi)星和天鯤二號衛(wèi)星送入預定軌道。作為我國首型固液捆綁運載火箭，長征六號改火箭應用一系列新技術、新工藝，具備多重優(yōu)勢，應用前景廣闊。

固液聯(lián)合優(yōu)勢多

近年來，我國航天高密度發(fā)射已成為常態(tài)，亟需研制具備更大運載能力、更強任務適應性的運載火箭。而為搶占市場先機，盡快服役運載能力更強、可靠性更高、性價比更優(yōu)的新一代中型火箭非常重要。

早在2010年初，長六改運載火箭已經(jīng)正式啟動方案論證。2017年1月，長六改運載火箭的總體方案確定為兩級半構型、液體芯級捆綁固體推進器。2017年9月21日，長六改運載火箭順利通過由用戶組織的立項評審。2018年10月，長六改運載火箭正式立項。

▲ 長六改火箭發(fā)射瞬間 鄭斌 攝

據(jù)公開資料顯示，長征六號改運載火箭總長約50米，起飛重量約530噸，700千米太陽同步軌道運載能力不小于4噸。火箭芯一、二級直徑為3.35米，一級采用2臺120噸推力的YF-100液氧煤油發(fā)動機，二級采用1臺推力18噸的YF-115液氧煤油發(fā)動機。芯級捆綁了4臺2米直徑的助推器，每個助推器裝有1臺120噸推力的兩段式固體發(fā)動機。

其中，助推器的兩段式120噸推力固體發(fā)動機首次實現(xiàn)了型號工程化應用。這型捆綁了4個助推器的兩級半構型火箭，成為我國首型固液捆綁式運載火箭，4個助推器為全箭提供了近70%的推力。

動力系統(tǒng)的創(chuàng)新無疑是長征六號改運載火箭的最大看點，我國固體火箭動力技術的發(fā)展也給了運載火箭更多選擇空間。

通常來講，想研制同等級火箭發(fā)動機，固體火箭發(fā)動機結構簡單，可靠性高，發(fā)射前無須加注推進劑，使用維護簡便，易實現(xiàn)大推力，可長時間儲存，制造和測試成本更低。其中，固體火箭發(fā)動機助推器更容易靈活搭配出不同推力和不同運力的火箭。

但是，固體火箭發(fā)動機的比沖較低，導致“純粹”固體火箭的運載系數(shù)較低，發(fā)射質量偏大，過多的結構級數(shù)設計又提高了火箭的復雜度，降低了整體可靠性。同時，固體火箭發(fā)動機燃燒劇烈且無法中止，危險性較大。

而液體火箭發(fā)動機能盡量避免這些問題，不僅比固體火箭發(fā)動機擁有更佳的比沖性能，而且很多液體火箭發(fā)動機具備節(jié)流和重復啟動功能，更安全靈活。

鑒于固體火箭發(fā)動機和液體火箭發(fā)動機各有優(yōu)勢，科研人員希望兩者“跨界合作”，使液體芯級+固體助推器的運載火箭匯集兩者之長，實現(xiàn)技術性與經(jīng)濟性的完美結合。為此，長六改火箭突破了固體助推器捆綁與分離、捆綁點大集中力擴散、固液捆綁聯(lián)合搖擺控制等關鍵技術。依托太原衛(wèi)星發(fā)射中心新建的發(fā)射工位，長六改火箭可實現(xiàn)14天快速發(fā)射，滿足中低軌道衛(wèi)星高密度發(fā)射需求。

此外，長六改火箭采用模塊化、組合化、系列化發(fā)展途徑，通過助推器的調(diào)整，可形成單芯級、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推力的構型，能像搭積木一樣靈活組合，實現(xiàn)性能和成本的平衡，滿足衛(wèi)星多樣化的發(fā)射需求。

據(jù)悉，在長六改火箭論證初期，研制團隊針對不同的芯級級數(shù)、直徑、發(fā)動機臺數(shù)以及固體助推器數(shù)量、直徑、分段數(shù)等，開展了方案對比論證，組合出的火箭構型有近百種。

借助固體火箭發(fā)動機的優(yōu)勢，長六改火箭的管路系統(tǒng)減少55%，可實現(xiàn)固體助推器在發(fā)射場直接安裝，助力火箭14天快速發(fā)射。目前，2米三段式、3米兩段式、3.2米三段式發(fā)動機均已試車成功，未來我國運載火箭領域動力系統(tǒng)會出現(xiàn)更多可能。

▲ 長六改火箭固體助推器特寫

▲ 吊裝中的長六改火箭分段

▲ 長六改火箭分段

“從頭到腳”創(chuàng)新不少

在長征六號改運載火箭上，工藝創(chuàng)新隨處可見。

隨著長六改火箭首飛成功，世界首個3.35米充液拉深超大超薄整體成形貯箱箱底也證明了可靠性?！俺?超薄”是它的顯著特性，直徑4.2米、厚度10毫米的鋁合金板通過充液拉深貯箱整體箱底成形技術制造后，箱底原本長達10米的焊縫消失得無影無蹤，并兼具強度、韌度等方面的優(yōu)秀性能。

傳統(tǒng)火箭貯箱箱底是由一塊塊鋁合金板材拼裝、焊接而成的。為了能有更強的“鐵骨”、更輕的“體重”，工匠們通過充液拉深成形技術、“蛋殼雕花”的鏡像銑削技術、快速防腐技術等，提高了貯箱結構可靠性，使制造效率提升了60%以上。未來，該技術將全面應用于各種規(guī)格的火箭貯箱箱底生產(chǎn)制造中。

長六改火箭的整流罩是國內(nèi)最大尺寸的4.2米全透波復合材料整流罩，應用了水平合罩的總裝技術、線性分離的解鎖方式，使得整流罩的透波性、解鎖可靠性得到了顯著提高。

據(jù)悉，長六改整流罩的全方向透波率達到了90%，不必再為每顆衛(wèi)星定制專屬透波口，簡化了生產(chǎn)流程，減重30%左右。同時，復合材料的低熱導率讓整流罩在低溫環(huán)境下不必再使用傳統(tǒng)火箭所需的保溫層。

星箭成功分離，驗證了4.2米線性解鎖全復合材料衛(wèi)星整流罩設計、工藝的可行性，體現(xiàn)了全復合材料整流罩質量輕、全透波的優(yōu)勢。后續(xù)，火箭整流罩會加緊推進復合材料替代化工作，實現(xiàn)3.35米、3.8米、4.2米的整流罩產(chǎn)品統(tǒng)型化應用。

長六改火箭上，最關鍵的創(chuàng)新圍繞著發(fā)動機“做文章”。固體和液體兩種動力特性不同，很難做到完美契合，“馴服”兩者不僅僅是動力系統(tǒng)的任務，從總體到控制，再到多個分系統(tǒng)，均要為這一難題絞盡腦汁。

與常規(guī)的運載火箭不同，長六改火箭發(fā)射時，芯一級發(fā)動機先點火，4個固體發(fā)動機助推器再點火。為何要一先一后處理呢？根源在于發(fā)動機特性。固體火箭發(fā)動機雖然工作可靠、使用維護簡單，但“開弓便無回頭路”，一旦點火，將無法緊急關機；相反，火箭芯級采用的液體火箭發(fā)動機可以通過關閉閥門等手段及時叫停。

在不同發(fā)動機一先一后點火間隙，留出了0.3秒的寶貴時間，這0.3秒內(nèi)要做一件事：完成芯一級動力系統(tǒng)的“健康診斷”。

設計師介紹，在芯級液體發(fā)動機點火后的2.5秒，健康診斷系統(tǒng)進入發(fā)動機診斷窗口。之后短短的0.3秒內(nèi)，這位“健康管家”需要在前期收集的大量數(shù)據(jù)基礎上，對發(fā)動機的健康狀況進行診斷：若監(jiān)測到發(fā)動機存在問題，要在須臾間完成故障發(fā)動機自動緊急關機，確保固體助推器不再執(zhí)行點火程序；在確保芯級液體發(fā)動機“健康無虞”的前提下，固體助推器才執(zhí)行點火程序。

“健康管家”同樣做足了功課。長六改火箭配置了3套相同的健康診斷系統(tǒng)，對芯級液體發(fā)動機狀態(tài)進行同時診斷，如果有2套及以上系統(tǒng)同時判斷故障存在，才會被認為是發(fā)動機故障。

設計師透露，在長六改火箭之前，國內(nèi)尚無在火箭發(fā)射中應用發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)的先例。此次發(fā)射任務成功，進一步驗證了健康診斷系統(tǒng)方案設計的正確性及工程應用的可靠性。

“固體發(fā)動機推力大，但存在推力全程不穩(wěn)定的問題，不像液體發(fā)動機可以持續(xù)輸出一條平穩(wěn)的直線。”控制系統(tǒng)副主任設計師胡存明介紹道，“而且捆綁在火箭4個方位的固體助推器點火后也做不到完全‘步調(diào)一致’，有的是‘急性子’，有的稍微慢一點，這會對火箭產(chǎn)生一定的翻轉力矩?！?/p>

為此，控制系統(tǒng)研制團隊對各類極限條件進行了全面的仿真與評估，將“液氧煤油發(fā)動機+液壓伺服機構”與“固體發(fā)動機+電動伺服機構”這種“跨界混搭”組合牢牢“拿捏”，確?；鸺椒€(wěn)飛行。

▲ 吊運火箭整流罩

▲ 長六改火箭工藝多處革新

▲ 火箭發(fā)射準備

▲ 火箭發(fā)射準備特寫

還有一個難題：受固體發(fā)動機熱流影響，芯一級發(fā)動機底部過熱，噴管熱工作環(huán)境嚴酷。為此，針對芯一級發(fā)動機在飛行過程中的結構熱適應性，團隊給液體發(fā)動機進行了專題仿真分析和復核復算，并利用試片完成了火箭分離噴流試驗考核。結果表明，芯一級發(fā)動機可以適應具備挑戰(zhàn)性的熱環(huán)境條件。

流程優(yōu)化更智能

長六改火箭的一系列技術進步不是憑空得來的，科研人員為此付出了巨大努力，廣泛論證試驗，優(yōu)化發(fā)射流程，從不同方面支持了長六改火箭終成正果。

全箭模態(tài)試驗是新型火箭首飛前必須經(jīng)歷的大型地面試驗，主要目的是通過模擬火箭真實的飛行狀態(tài)，獲取火箭在特征工況下的振型、斜率參數(shù)，摸清火箭的結構動力學特性，為火箭的姿態(tài)控制系統(tǒng)設計提供一系列數(shù)據(jù)支撐。

由于長六改火箭應用了一系列新技術、新工藝，在模態(tài)試驗的組織策劃和實施上面臨著多重困難。

比如，裝滿固體燃料的助推器質量大，單個近70噸，創(chuàng)下了國內(nèi)助推器吊裝紀錄。且助推與芯級的對接精度要求高，捆綁連接機構復雜，這都使得捆綁操作的難度堪比“穿針引線”。研制團隊優(yōu)化操作流程，耗時6天，長六改運載火箭模態(tài)箭終于完成了4個滿藥助推與一子級的捆綁連接工作，首次實現(xiàn)了國內(nèi)固體助推器與液體芯級箭體的捆綁。

我國首次在運載火箭上應用固液捆綁方案，多項新技術對發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)提出挑戰(zhàn)。自2016年開始，型號團隊“白手起家”，多次同發(fā)動機研制單位展開技術協(xié)調(diào)，研究分析了上千條發(fā)動機試車數(shù)據(jù)。團隊先后6次奔赴西安參加真實的發(fā)動機試車，每次一待就接近1個月，以完美“戰(zhàn)績”實現(xiàn)了100%成功，系統(tǒng)可靠性得到充分驗證。經(jīng)過反復優(yōu)化的發(fā)動機健康診斷方案歷經(jīng)2年多論證，終于獲得認可。

2021年2月，長六改運載火箭順利完成全箭15個工況的試驗工作，獲取到合理、可靠、足夠的火箭動力學特性，滿足了型號工程的研制需要，有力確保了后續(xù)任務的順利完成。

由于一系列優(yōu)化措施，長六改火箭發(fā)射流程出現(xiàn)了較大變化。距離火箭起飛還有4個小時，發(fā)射塔架上已無人影。相比常規(guī)的運載火箭發(fā)射流程，這提前了約3.5小時。而當時在距塔架數(shù)千米外的測控發(fā)射大廳里，試驗隊員有序推進火箭發(fā)射前的各項加注及測試工作。

無人值守，這是長征六號改運載火箭給發(fā)射場帶來的改觀。與以往運載火箭發(fā)射不同，長六改火箭發(fā)射前，工作人員會早早撤離發(fā)射塔架，所有工作都會在測控發(fā)射大廳對火箭進行遠程控制。

對于液體火箭發(fā)動機來講，加泄連接器是火箭在加注/泄出推進劑時，箭上系統(tǒng)與地面支持系統(tǒng)的連接設備，堪稱“生命臍帶樞紐”。在常規(guī)的火箭發(fā)射流程中，加泄連接器一般由人工對接，自動脫落，費力費時。在長六改火箭任務中，芯一級的加泄連接器被升級為智能機械臂，實現(xiàn)了我國運載火箭的首次智能化對接加注。

人員撤離更早，如何確?；鸺T多連接器安全脫落？其實，長六改火箭的二級加泄連接器、衛(wèi)星整流罩空調(diào)送風連接器均可“零秒脫落”，也就是在火箭起飛的瞬間脫落。

據(jù)長六改火箭副總設計師張亮介紹，通過“結構簡單、高可靠性的連接技術+多重冗余保障的分離方案+強制收回與捕獲系統(tǒng)”配合，確保了“零秒脫落”萬無一失，為發(fā)射前4小時全體工作人員從發(fā)射塔架撤離提供了保障。

運載火箭的能力有多大，航天的舞臺就有多大。長征六號改運載火箭首飛成功，一系列技術創(chuàng)新經(jīng)受住考驗，還為技術應用拓展奠定了基礎，不僅有望贏得發(fā)射市場青睞，還將進一步提升我國進入空間的能力。