引力一號運載火箭及其技術(shù)特點

布向偉 東方空間技術(shù)（山東）有限公司

2024 年1 月11 日13 時30 分，我國在山東海陽東方航天港附近海域使用引力一號（遙一）海瀾之家號運載火箭，將搭載的云遙一號18～20 星共3 顆衛(wèi)星順利送入高度為500km、傾角為50°的低地球軌道（LEO），飛行試驗任務(wù)獲得圓滿成功。

引力一號首次飛行試驗也創(chuàng)造了世界最大固體運載火箭、國內(nèi)首款全固體捆綁運載火箭、首個捆綁式運載火箭海上發(fā)射、首次在海上實現(xiàn)中型火箭“三垂”測發(fā)模式、國內(nèi)首個自帶導(dǎo)流槽的發(fā)射船首次應(yīng)用等諸多紀錄。引力一號海上發(fā)射的成功，進一步提升了我國海上發(fā)射技術(shù)水平，擴充了我國中型運載火箭海上機動發(fā)射能力。

1 火箭總體情況

引力一號運載火箭為三級半構(gòu)型，芯級采用三級固體發(fā)動機串聯(lián)方式，集束捆綁4 臺固體發(fā)動機作為助推級。火箭起飛質(zhì)量約為405t，總長約30m，發(fā)動機及柱段結(jié)構(gòu)直徑2.65m，整流罩直徑兼容3.35m、3.8m 和4.2m，500km 太陽同步軌道（SSO）最大運載能力為4.2t，火箭外形如圖1 所示。首飛采用直徑4.2m、高9.3m 的整流罩。

圖1 引力一號火箭結(jié)構(gòu)圖

引力一號運載火箭采用“三垂”測發(fā)方案，火箭在技術(shù)區(qū)完成垂直總裝和垂直測試，之后垂直轉(zhuǎn)載至發(fā)射船，隨發(fā)射船機動到預(yù)定海域?qū)嵤┌l(fā)射，如圖2 所示。

圖2 引力一號火箭矗立在發(fā)射船上

2 火箭優(yōu)勢

“強”：系統(tǒng)創(chuàng)新性強、機動能力強。構(gòu)型獨特，是國內(nèi)首個全固體捆綁火箭，達到中型運載火箭發(fā)射能力的同時，還可以適應(yīng)海上發(fā)射、快速發(fā)射；圍繞海上發(fā)射，可構(gòu)建便捷靈活的發(fā)射體系。

“大”：運載能力大、空間包絡(luò)大。引力一號500km 太陽同步軌道最大運載能力達到4.2t，達到中型運載火箭發(fā)射能力；整流罩直徑達4.2m，高度可根據(jù)需求進行拓展，支持百千克級衛(wèi)星“一箭數(shù)十星”組網(wǎng)發(fā)射。

“快”：研制速度快，發(fā)射響應(yīng)快。自2021 年初啟動研制工作以來，3 年完成研制，探索并實踐了一條邊設(shè)計、邊生產(chǎn)、邊試驗、邊改進的敏捷迭代模式；探索“前店后廠”一站式服務(wù)模式，減少物流時間、物流成本、箭體包裝和恢復(fù)時間，大幅提升響應(yīng)速度。

“省”：經(jīng)濟性好，節(jié)省資源。研制過程充分考慮設(shè)計源頭及成本，箭體結(jié)構(gòu)柱段均采用模塊化、標準化設(shè)計，制造工藝簡單，材料統(tǒng)一，集中備料，大幅提升了制造效率、降低了制造成本；發(fā)射系統(tǒng)大量采用工業(yè)化設(shè)施和技術(shù)，建設(shè)和后期維護成本均較低；海上發(fā)射安全區(qū)在海上，可節(jié)約大量陸地資源。

3 主要技術(shù)特點

引力一號在研制過程中攻克了4 大關(guān)鍵技術(shù)群、17 項關(guān)鍵技術(shù)，其中主要的技術(shù)有：

1）海陸通用中型運載火箭多約束構(gòu)型優(yōu)化。在運載能力強、海上晃動適應(yīng)性好、整流罩包絡(luò)大、性價比高等多項目標約束下，引力一號通過通用動力模塊捆綁集成、系統(tǒng)創(chuàng)新的方式，優(yōu)化出三級半構(gòu)型，達到中型運載火箭能力。

2）適應(yīng)公路垂直轉(zhuǎn)載的載荷分配優(yōu)化技術(shù)。引力一號采用垂直總裝、垂直測試、垂直轉(zhuǎn)載的“三垂”測發(fā)模式，使用液壓軸線車整體馱負發(fā)射臺和運載火箭進行公路垂直轉(zhuǎn)載，從而大幅降低了保障條件需求，使用更加靈活。通過多點支撐載荷分配優(yōu)化，將轉(zhuǎn)載的載荷控制在合理范圍內(nèi)，確保轉(zhuǎn)載過程安全。

3）全固體捆綁火箭姿態(tài)控制技術(shù)。固體發(fā)動機一般采用耗盡關(guān)機方式，4 臺助推器之間存在工作不同步性，最大可能達到數(shù)十噸差異，對飛行穩(wěn)定控制帶來較大影響。通過合理分配芯級和助推級控制力、優(yōu)化過渡過程，實現(xiàn)了具有較強適應(yīng)能力的全固體捆綁火箭接力控制方案。

4）大氣層內(nèi)接力助推彈道優(yōu)化設(shè)計。為了提升運載能力，引力一號采用大氣層內(nèi)接力助推的彈道模式，即起飛時4 臺助推器點火工作，芯一級在飛行過程中接力點火。通過在線合理規(guī)劃交接班時間，增強了對航落區(qū)調(diào)整、各項控制偏差、發(fā)動機內(nèi)彈道偏差的適應(yīng)性。

5）適應(yīng)大固體發(fā)動機大后效的級間冷分離技術(shù)。

為了盡量減少分離火工品和環(huán)境條件影響，引力一號芯一級和芯二級均采用冷分離方案。固體發(fā)動機的后效推力達到數(shù)千牛頓，會對分離過程造成較大的干擾。通過多專業(yè)的協(xié)同設(shè)計、分離時序優(yōu)化、多項措施并舉等，確保了分離過程安全，避免了高空追擊問題。

6）復(fù)雜末級布局優(yōu)化及輕質(zhì)化設(shè)計。末級儀器艙內(nèi)安裝有末修姿控動力系統(tǒng)、芯三級固體發(fā)動機、箭上主要的控制和測量系統(tǒng)。需要對發(fā)動機工作產(chǎn)生的力熱環(huán)境進行隔離，為艙內(nèi)設(shè)備和管路提供良好的環(huán)境條件。此外，末級質(zhì)量與運載能力是1：1 的關(guān)系，質(zhì)量指標也很關(guān)鍵。綜合考慮布局、傳力、減振、防熱、輕質(zhì)化等要素，通過空間布局優(yōu)化、傳力拓撲優(yōu)化、環(huán)境隔離設(shè)計、防熱一體化等實現(xiàn)了較為優(yōu)化的輕質(zhì)化末級方案。

7）簡易充氣柔性保溫防護罩技術(shù)。首次采用充氣式防護罩進行箭體防護和保溫（圖3），此次飛行試驗有效防護了小雨和小雪，可以在室外-5℃情況下，保證防護罩內(nèi)溫度達到10℃。

8）固體助推器工作同步性控制技術(shù)。開展了發(fā)動機工作同步性影響因子分析，并完成極限拉偏、隨機打靶等仿真分析。根據(jù)仿真和試驗結(jié)果，對主要因素進行重點控制，如殼體、混藥和澆注、裝藥量、噴管質(zhì)量、點火裝置等均進行嚴格的一致性控制，實現(xiàn)了較好的同步性控制目標。

9）大氣層內(nèi)固體助推器分離技術(shù)。引力一號助推器分離高度在45～50km 之間，分離時存在大氣、助推發(fā)動機后效、芯一級發(fā)動機工作噴流等影響，構(gòu)建了彈道-姿控-分離-結(jié)構(gòu)-氣動-載荷等多專業(yè)協(xié)同仿真模型，實現(xiàn)了大氣層內(nèi)固體助推器分離設(shè)計。

10）40kW 大功率機電伺服。芯一級所用的機電伺服最大功率達到40kW，為后續(xù)引力二號液體運載火箭的應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。

4 小結(jié)及展望

此次發(fā)射任務(wù)的圓滿成功，驗證了運載火箭系統(tǒng)方案設(shè)計的正確性及各系統(tǒng)間工作的協(xié)調(diào)匹配性，驗證了引力一號“三垂”海上發(fā)射流程的正確性、協(xié)調(diào)性，驗證了與測控系統(tǒng)、海上發(fā)射平臺等系統(tǒng)的協(xié)調(diào)性，驗證了低傾角發(fā)射能力及飛行彈道能力，并成功將云遙一號3 顆衛(wèi)星高精度送入預(yù)定軌道，拉開了引力一號商業(yè)化應(yīng)用的序幕。此外，相關(guān)分系統(tǒng)關(guān)鍵技術(shù)和產(chǎn)品的驗證，也為后續(xù)引力二號液體運載火箭研制奠定了基礎(chǔ)。

未來，引力一號火箭將持續(xù)開展迭代優(yōu)化，通過“再分析、再設(shè)計、再驗證”，進一步強化可靠性、優(yōu)化使用流程、提升火箭綜合性能，為實現(xiàn)高可靠、規(guī)?；?、便捷化應(yīng)用發(fā)射奠定基礎(chǔ)。