航天科技集团长征六号丙运载火箭的能力与创新解析

文章来源:中国航天报 发布时间:2024-05-08

5月7日,随着绚丽的金黄色尾焰划过天际,航天科技集团长征系列运载火箭家族迎来了一位新成员——长征六号丙运载火箭。

长六丙火箭是面向未来商业发射市场打造的新一代无毒、无污染液体运载火箭,由航天科技集团八院抓总研制,全长约43米,700公里太阳同步轨道运载能力为2吨。

在长六火箭家族中,长六丙火箭“个头”中等,运载能力适中。它的“兄长”长征六号火箭长29米、700公里太阳同步轨道运载能力不小于1吨,长征六号改运载火箭长50米、700公里太阳同步轨道运载能力不小于4吨。长六丙火箭圆满首飞之后,“长六”家族具备了从1吨、2吨到4吨梯度的运载能力,进一步丰富了我国新一代长征系列运载火箭的型谱。

“简”:简约构型书写无限可能

远远望去,长六丙火箭的形状像一支笔。约占全箭高度2/3的火箭一子级就像笔杆,其直径为3.35米,配置两台120吨推力的液氧煤油发动机。比一子级略窄的二子级是握笔处,直径为2.9米,配置了一台推力18吨的液氧煤油发动机。笔尖则是整流罩,长六丙火箭可根据不同任务需求适配3.35米、3.8米直径两种尺寸的整流罩。

简约精炼,是长六丙火箭给人留下的第一印象。

“长六丙火箭是面向市场而生的。把复杂的事情做简单,是能力所在。”长六丙火箭总指挥丁秀峰表示,运载能力2吨左右的火箭在当前商业航天市场中需求旺盛,也面临着最为激烈的市场竞争,简约、易用、实用的特质,有助于长六丙火箭赢得市场青睐。

从大家坐在一起集思广益讨论,到勾勒草图、绘制设计图纸,再到形成产品实物,研制队伍从火箭的力、热、电等机理入手,结合试验验证结果反复迭代,倾心打造一款简洁而实用的火箭。

“火箭要可靠性高、经济性好、履约能力强,这是我们遵循的设计理念。”长六丙火箭总设计师李程刚说。

二级火箭,是运载火箭的最简构型。同时,长六丙火箭没有助推器,没有尾翼,全箭仅采用3台发动机,实现了高可靠、易操作。

长六丙火箭还新增了更多安全配置。比如控制系统单机均采用内部三模冗余,单机之间通过三条独立的总线进行信息交互,使控制系统兼具可靠性与灵活性。

性价比是商业竞争的核心要素。长六丙火箭充分继承新一代长征系列运载火箭的成熟技术,产品化率高达95%,批量生产的通用化、型谱化的产品能够进一步降低成本。此外,液氧煤油发动机推进剂具有来源广泛、价格低廉等优势,既环保又经济。

后续,长六丙火箭将采取通用化产品组批滚动投产、少量定制化产品快速设计的研制模式,逐步将从订单下达到完成发射的履约周期稳定在半年左右,快速满足用户需求;还将探索并采用一些新设计,让火箭更加高可靠、易操作、易维护,提高火箭的任务适应性。

随着商业航天市场蓬勃发展,用户的需求也愈发多元化。长六丙火箭总体主任设计师余延生介绍,长六丙火箭能够发射不同轨道的卫星,其运载能力也可以满足多类中低轨中型有效载荷的发射需求,既能单星发射,又能商业“拼车”。长六丙火箭的首飞是一个起点,火箭团队期待着未来走得更远、更扎实,托举这枚形似笔的火箭在太空中书写无限可能。

“新”:飞行添智慧,结构再升级

在此次首飞任务中,长六丙火箭自适应增广控制技术和2.9米直径大温差泡沫夹层共底贮箱为国内首次应用。

由箭载计算机、惯组陀螺等产品组成的控制系统就像火箭的“大脑”,指挥着火箭飞行。研制团队在原先控制系统的基础上,新增了自适应增广控制技术。这相当于给长六丙火箭在“自动驾驶”的基础上量身定做了一套“智能驾驶”系统,可以在线实时调整火箭的飞行控制策略,即使遇到“大风大浪”也能平稳飞行。

长六丙火箭控制系统主任设计师胡存明介绍,该系统可以智能处理两类情况:一是感知飞行过程中气动、推力干扰等引起的姿态偏差的情况;二是感知火箭箭体在飞行中的液体燃料晃动、弹性等振动信息,并且每20毫秒将这些信息传送给箭载计算机,计算机飞快运算,驱使伺服机构控制火箭作出实时调整。

例如,当火箭飞行至10千米~15千米高度的大风区时,风速高达50~60米/秒,一旦“天有不测风云”,遇到风切变等不利因素,自适应增广控制系统就会介入,实时调整控制策略,自动调整偏差并减震,帮助火箭提高控制精度和舒适度。

“这是一次采用智能控制手段提高火箭飞行安全性的有益尝试,就像找到了通往智慧化火箭领域的‘钥匙’。期待在未来,我们能用这把钥匙打开更多扇门。”胡存明说。

在本次任务中,新研制的2.9米直径大温差泡沫夹层共底贮箱得到首次应用。大温差共底贮箱指的是零下183摄氏度的氧化剂贮箱和常温燃料剂贮箱共用一个底,通过减少两个贮箱之间的多余空间,尽可能多地携带燃料,实现减轻火箭“自重”,进一步提高火箭的结构效率。

长六丙火箭主任工艺师刘宽介绍,在传统贮箱布局中,两种燃料贮箱相互分开,中间由铆接舱段连接,这种布局重量较重。此前长六火箭上已经使用2.25米直径大温差共底贮箱,这次长六丙火箭共底贮箱直径扩大至2.9米,研制团队攻克了超薄零件精密成形、薄壁箱底的低应力焊接等多项难题,帮助火箭减轻自重、实现运载能力更优。

同时,长征六号丙火箭卫星整流罩、支承舱、仪器圆盘等大量应用复合材料技术,降低结构重量,通过一系列轻质化措施释放火箭运载能力近600公斤。

“快”:三年多研制,半年履约

20余天完成发射场首飞

从2020年年初启动研制,到2023年6月前往发射场开展合练,严格来说,长六丙火箭的研制仅用了3年多的时间,比传统研制周期缩短了30%以上,这样的“成长速度”得益于在役型号的成熟技术,更取决于长征六号丙以服务市场需求为导向的“成长模式”。

在研制过程中,长六丙火箭结合已有型号积累的大量地面和飞行试验数据,采用数字仿真手段完成迭代优化,取消了以往新型号研制过程中开展的气动风洞试验、全箭模态试验、舱段静力试验等大型地面试验,进一步优化研制流程、降低研制成本;通过设计去任务化、产品选配安装的形式,打造一枚可适配多任务要求的“标准火箭”,为后续滚动组批生产、快速履约奠定基础,提高了火箭的任务适应性和市场竞争力。

长六丙火箭的首次飞行,就通过商业化竞拍的方式实施了“拼车”发射任务,这也是我国长征系列运载火箭发射服务首次公开竞拍。

“商业市场多样化的发射需求背后也常常带来更多变数。对此,团队扎扎实实做好各项工作,以自身工作的确定性应对形势变化的不确定性。”余延生表示,团队约半年前接到本次商业“拼车”任务,为更好地适应卫星进度、用户需求等方面变化,团队积极牵头编制星箭接口控制文件,携手卫星方高效合作;同时按照最大包络、最灵活的方案设计整流罩内的支撑舱布局,确保满足用户需求。

在发射场,长六丙火箭竖立在塔架当中,周围的一根根电缆源源不断向地面测发控系统传输着信号。作为执行运载火箭电气与动力测发功能的主体,地面测发控系统像一位保健医生,在火箭测试、加注以及发射过程中全方位守护。

长六丙火箭测发控系统负责人花伟峰介绍,长六丙火箭地面测发控系统与长六改火箭共用,通用型测发控系统极大地降低了研制生产成本、缩短了研发周期。研制团队将大数据技术引入运载火箭测发控领域,构建大数据软件平台,实现火箭测发数据自动判读、故障诊断及智能管理;通过服务器集群化、流程自动化、判读智能化、系统小型化、软件平台化等举措,做到了测试流程灵活,判读软件通用化程度高、可配置性好,操作界面“友好”易上手,真正实现了“一键式自动测发”,采用的无感容错技术也让“前端无人化”梦想成真。

自4月13日长六丙火箭试验队“大部队”来到发射场执行任务到5月7日火箭成功发射,这支高标准、严要求、高效率研制队伍仅用20余天就圆满完成了长六丙首飞的各项工作,为新火箭铺就飞天坦途。

宋皓薇)