【科技前沿】

　　我國首型固體捆綁運(yùn)載火箭長征六號改

　　——固液混動，信步蒼穹

　　光明日報(bào)北京3月29日電 光明日報(bào)記者 張蕾 光明日報(bào)通訊員 向長征 李同

　　2022年3月29日，由中國航天科技集團(tuán)八院抓總研制的我國首型固體捆綁運(yùn)載火箭長征六號改（以下簡稱“長六改”）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。

　　回顧我國運(yùn)載火箭發(fā)展史，長征系列運(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。作為我國新一代同時也是首型“混合動力”長征系列運(yùn)載火箭，長六改在技術(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)動機(jī)性能高、工作時間長和固體發(fā)動機(jī)推力大、工作可靠、使用維護(hù)簡單的綜合優(yōu)勢，進(jìn)一步完善了運(yùn)載火箭型譜，大幅提升了我國進(jìn)入、利用和探索空間的能力。

　　固液發(fā)動機(jī)，實(shí)現(xiàn)完美搭配

　　固體發(fā)動機(jī)推力大、簡單可靠的特點(diǎn)，在長六改上體現(xiàn)得淋漓盡致。據(jù)中國航天科技集團(tuán)八院長六改總指揮洪剛介紹，長六改的芯一級捆綁了4臺以固體燃料為動力的助推器，單枚助推推力可達(dá)120噸，刷新了長征系列運(yùn)載火箭的最快“起跑”紀(jì)錄。同時，借助固體發(fā)動機(jī)結(jié)構(gòu)相對簡單、部組件少、可靠性高、操作維護(hù)方便、貯存時間長的優(yōu)勢，長六改箭上的管路系統(tǒng)減少了55%，可在發(fā)射場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，如此一枚“硬漢”，并非我們想象中的“糙漢”。“為了克服在飛行過程中固液發(fā)動機(jī)聯(lián)合工作帶來的復(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，并在國內(nèi)首次定量描述了聲致振動特性，通過精準(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。”中國航天科技集團(tuán)八院長六改總設(shè)計(jì)師張衛(wèi)東說。

　　既要捆得牢，又要分得開

　　據(jù)悉，長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。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，完成“使命”后，助推器與芯級安全分離，是捆綁火箭飛行過程中最關(guān)鍵的分離程序之一。“為了確保在惡劣的力熱環(huán)境、發(fā)動機(jī)后效推力、氣動阻力等復(fù)雜干擾情況下，助推器與芯級能夠安全分離，研制團(tuán)隊(duì)合理選擇分離動力源并優(yōu)化布局，結(jié)合分離時序等設(shè)計(jì)，消除了眾多干擾因素對分離的影響，確保助推器分得開、分得穩(wěn)。”據(jù)洪剛講，在研制階段，長六改成功實(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。

　　有了“智能大腦”，才能穩(wěn)定飛行

　　在飛行過程中，長六改的芯級與助推器發(fā)動機(jī)都要擺動，共同控制火箭的姿態(tài)。由于固液兩種發(fā)動機(jī)的特點(diǎn)和伺服機(jī)構(gòu)的動態(tài)特性不同，芯級與助推器之間勢必存在干擾，給火箭的穩(wěn)定飛行帶來不利影響。為此，研制團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新性地采用聯(lián)合搖擺控制方案，通過優(yōu)化不同飛行階段的擺角分配，克服了長六改在飛行過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)動機(jī)的加持，長六改可能面臨“空中大剎車”的危險。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)測固體發(fā)動機(jī)的工作狀態(tài)，將整箭控制策略從最初的聯(lián)合擺動控制平穩(wěn)過渡到芯級單獨(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。