長征六號改：我國首型固液運載火箭

熟悉國外運載火箭的小伙伴們一定知道，國外有許多種運載火箭捆綁了固體助推器，比如美國的宇宙神5號運載火箭、歐空局的阿里安5號運載火箭、日本的H-2B運載火箭、印度的GSLV運載火箭等。而我國的運載火箭捆綁的助推器一般都是液體動力的，但是今年3月發(fā)射成功的長征六號改運載火箭填補了我國的這一項空白，成為我國第一種捆綁固體火箭助推器的運載火箭。

長征六號改運載火箭發(fā)射升空

可實現(xiàn)14天快速發(fā)射目標(biāo)

2022年3月29日17時50分，長征六號改運載火箭將兩顆人造衛(wèi)星成功發(fā)射升空，并順利送入預(yù)定軌道。

與“長征六號”不同，“長征六號改”芯一級和芯二級的箭體直徑均為3.35米。在動力系統(tǒng)方面，“長征六號改”仍然是在一級安裝兩臺120噸推力的YF-100液氧/煤油發(fā)動機，二級安裝一臺推力18噸的YF-115液氧/煤油發(fā)動機。在芯一級的側(cè)面，捆綁了4臺直徑2米的固體助推器，助推器采用的是兩段式120噸推力固體火箭發(fā)動機。整流罩直徑由“長征六號”的2.6米或2.9米，增加到了4.2米或5.2米，為未來大型載荷留足了空間。

“長征六號改”全箭總長約50米，起飛推力7230千牛，起飛質(zhì)量約530噸，可實現(xiàn)700千米太陽同步軌道4.5噸的運載能力。

“長征六號改”作為我國第一型捆綁固體助推器的新一代長征系列運載火箭，可充分發(fā)揮液體火箭發(fā)動機性能高、工作時間長，以及固體火箭發(fā)動機推力大、工作可靠、使用維護簡單的綜合優(yōu)勢?！伴L征六號改”的4枚固體助推器在起飛時為全箭提供了近70%的推力。

通過采用固體助推器，“長征六號改”實現(xiàn)了模塊化、組合化、系列化設(shè)計，后續(xù)可通過助推器的調(diào)整，形成多種構(gòu)型，打造運載能力覆蓋范圍廣、梯度合理、性價比高的運載火箭系列，滿足未來衛(wèi)星多樣化的密集發(fā)射需求。

由于固體火箭發(fā)動機具有部組件少、結(jié)構(gòu)相對簡單、可靠性高的優(yōu)勢，“長征六號改”的箭上管路系統(tǒng)“瘦身”了55%之多；由于固體火箭發(fā)動機具有操作維護方便、貯存時間長的優(yōu)勢，“長征六號改”最終實現(xiàn)了固體助推器在發(fā)射場的直接安裝，并實現(xiàn)了火箭靶場準(zhǔn)備14天即可快速發(fā)射的指標(biāo)。

集成化發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)

當(dāng)然，使用固體火箭發(fā)動機也并非全都是益處。固體火箭發(fā)動機大推力也帶來更大的振動，另外固體火箭發(fā)動機排焰含有高溫的固體粒子，造成對于火箭底部的輻射熱環(huán)境也大大加強。為了克服在飛行過程中固液發(fā)動機聯(lián)合工作帶來的復(fù)雜力、熱環(huán)境，“長征六號改”在設(shè)計中需要對捆綁火箭力學(xué)環(huán)境條件，以及氣固兩相噴流底部熱環(huán)境進(jìn)行精確預(yù)示。

采用捆綁形式的固體火箭發(fā)動機助推器，還帶來了點火流程的變化，即在火箭發(fā)射時，需要運載火箭芯一級的液體火箭發(fā)動機先點火，之后4個助推器的固體火箭發(fā)動機再點火。然而由于固體火箭發(fā)動機一旦點火就不能再關(guān)機了，此時芯一級的液體火箭發(fā)動機如果發(fā)生故障，就沒法讓火箭停止工作排除故障了。因此，“長征六號改”需要在固體助推器點火前，對芯級液體發(fā)動機的健康狀態(tài)進(jìn)行診斷，及早發(fā)現(xiàn)可能存在的問題。

長征六號改火箭攜帶的4個固體助推器

為此，“長征六號改”配置了僅有一本B5書大小的集成化發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)，具備快速精準(zhǔn)采集發(fā)動機參數(shù)并進(jìn)行實時診斷的能力。該系統(tǒng)在芯級液體發(fā)動機點火后的2.5秒，開始進(jìn)行發(fā)動機診斷，通過持續(xù)0.3秒的監(jiān)測和診斷，判斷發(fā)動機是否存在故障。如果認(rèn)為發(fā)動機存在故障，它就會對芯級液體發(fā)動機進(jìn)行自動緊急關(guān)機，并切斷固體助推器點火程序，阻止其點火工作。

為了保證發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)的工作可靠，不僅在前期收集了大量的發(fā)動機基礎(chǔ)工作數(shù)據(jù)，確保對情況判斷準(zhǔn)確，還在火箭上配置了3套相同的診斷系統(tǒng)，對發(fā)動機狀態(tài)進(jìn)行同時診斷，如果有兩套及以上系統(tǒng)診斷同時判斷故障存在，才能確定為發(fā)動機故障。

除此以外，發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)還需要適應(yīng)“長征六號改”芯級工作時的苛刻環(huán)境。由于“長征六號改”的芯級發(fā)動機為低溫液氧/煤油發(fā)動機，液氧的溫度為-183℃。在這樣低溫環(huán)境的影響下，發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)周圍的環(huán)境達(dá)到了-40℃。然而當(dāng)芯級發(fā)動機點火后，發(fā)動機健康診斷系統(tǒng)周圍的溫度又會迅速上升到130℃，而且伴隨著強烈的振動，工作環(huán)境極其惡劣。

長征六號改火箭的固體助推器示意圖

“智慧發(fā)射場”保駕護航

為了“長征六號改”的可靠發(fā)射，還特意在太原衛(wèi)星發(fā)射中心9A發(fā)射工位打造了“智慧發(fā)射場”，運用物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)對地面設(shè)施設(shè)備進(jìn)行統(tǒng)一的數(shù)據(jù)采集和整合，并通過大數(shù)據(jù)技術(shù)進(jìn)行梳理融合，實現(xiàn)了全系統(tǒng)態(tài)勢感知、全過程智能管控以及全流程驅(qū)動保證支持，可實現(xiàn)固體助推器在發(fā)射場直接安裝，以及14天快速發(fā)射，提升了航天發(fā)射效率和發(fā)射安全性。

9A發(fā)射工位實現(xiàn)了火箭發(fā)射點火前4小時無人值守，臨射前的一系列操作由發(fā)射系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。這得益于一套能夠?qū)崿F(xiàn)自動對接加注的“智能機械臂”。傳統(tǒng)火箭在加注或者泄出推進(jìn)劑時，一般采用人工現(xiàn)場手動對接、自動脫落的方式，這就需要發(fā)射現(xiàn)場一直有人值守，而“智能機械臂”完全代替了人工的作用。這套機械臂可以確保在雨、雪、霧等復(fù)雜天氣環(huán)境中準(zhǔn)確獲取目標(biāo)位置，克服火箭因載荷變化或風(fēng)力影響產(chǎn)生的隨機晃動，動態(tài)測量、實時跟蹤火箭上的加注閥門，確保對接準(zhǔn)確。