长征家族添新丁!我国首型“混动版”运载火箭面世

长征家族添新丁!我国首型“混动版”运载火箭面世
3月29日,我国首型固体捆绑中型运载火箭长征六号改在太原卫星发射中心成功发射,顺利将浦江二号卫星和天鲲二号卫星送入预定轨道。长征六号改运载火箭首飞任务取得圆满成功,标志着我国新一代运载火箭家族再添新成员,进一步完善了我国新一代运载火箭的型谱。
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     作为一个“混动小子”,长征六号改运载火箭(简称:长六改)29日从太原卫星发射中心“出发”了,它是中国新一代运载火箭家族的新成员,“身上”藏着新密码。

  “长相”:全箭总长约50米,起飞重量约530吨,在700公里太阳同步轨道的运载能力不小于4吨。

  “身体”:固液搭配,“干活”不累。长六改采用“固液混动配方”,是中国首型固体捆绑运载火箭,1个“液体芯级”捆绑着4个“固体助推器”。液体发动机性能高、工作时间长;固体发动机推力大、工作可靠、使用维护简单。

  “帽子”:定制版“皇冠”。长六改的整流罩是目前中国最大尺寸的4.2米全透波复合材料火箭整流罩。“皇冠”采用全透波复合材料,减“重”不降“质”,让火箭承得住“皇冠”的同时,整体“体重”良好。

  “饮食”:能自己“吃饭”。长六改发射前4个小时,全体工作人员从发射塔架撤离,这比常规运载火箭发射流程提前了近3.5个小时。长六改“特别自觉”,会自己“喂饱”自己,离开地球。在中国“运载火箭家族”中,长六改因表现突出摘得几朵“小红花”:不仅首次采用自动对接加注(“吃饭”)技术,实现远程全流程推进剂自动加注;还首次采用零秒脱落技术,让火箭箭地连接器在起飞瞬间自动脱落。

  “健康”:在中国运载火箭家族中,长六改首次采用了伺服系统在线故障诊断与自适应重构技术,火箭飞行过程中,当某台伺服机构出现故障时,智能“大脑”会根据自我诊断后的结果,重新进行计算,并分配控制指令,实现火箭飞行的智能控制。

“肩扛+托举”使捆绑更牢靠

“长六改”研制历程 孙公明 摄

  长六改运载火箭通过“前端辅助传力+后端主传力”的捆绑连接解锁装置,相当于利用“肩扛+托举”两种力量,实现助推器与芯级的连接。为进一步优化结构重量,长六改运载火箭打造了一款轻量化捆绑连接解锁装置,在运载火箭停放和飞行阶段下可承受并有效传递轴向和径向载荷。

  作为一枚捆绑火箭,助推器完成“使命”后与芯级安全分离是火箭飞行过程中最关键的分离程序之一。为在恶劣的力热环境、发动机后效推力、气动阻力等复杂情况下确保助推器和芯级安全分离,研制团队合理选择分离动力源并优化布局,结合分离时序等设计,消除了众多干扰因素对分离的影响,确保助推器分得开、分得稳。同时,在研制阶段,长六改运载火箭还成功实施了3次固体助推捆绑地面分离试验,进一步验证了助推分离技术方案的正确性。

  长六改运载火箭在飞行过程中,芯级与助推器发动机都要摆动,共同参加火箭的姿态控制,但由于两种发动机的特点不同、伺服机构的动态特性不同,芯级与助推器之间势必存在相互干扰,对火箭的稳定飞行会带来不利影响。

  为此,长六改运载火箭创新性采用联合摇摆控制方案,通过优化不同飞行阶段的摆角分配策略,克服了火箭在飞行过程受到的诸多干扰,让火箭优雅端庄、信步苍穹。

  在固体助推器分离的瞬间,失去了大推力固体发动机的加持,火箭可能会面临“空中大刹车”的局面,为此,火箭控制系统会在助推分离前对固体发动机的工作状态进行智能监测,将整箭控制策略从最初的联合摆动控制平稳过渡到芯级单独控制,从而最大程度地保证了火箭抛掉助推前后的稳定飞行。

“健康管家”令火箭更智能更安全

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  长征六号改运载火箭是我国首型固体捆绑火箭。与常规的运载火箭点火流程不同,火箭发射时,运载火箭芯一级发动机先点火,四个固体发动机助推器再点火。不过,固体发动机一旦点火就无法紧急关机。因此,在固体助推器点火为火箭提供强大起飞推力前,需要对火箭芯级液体发动机的健康状态进行诊断。中国航天科技集团有限公司八院长六改运载火箭的设计师们为其配置了一位“健康管家”,即发动机健康诊断系统。

  其实,我国的液体运载火箭都有一套紧急关机系统,这套系统通常设置在地面机柜中,一旦遇到紧急情况,地面设备可以发出关机指令。长六改运载火箭的设计师们把这套系统搬到了火箭上,这个经集成化、小型化设计后的系统,虽然仅有一本B5书的大小,但其强大的芯片运算能力、快速精准采集发动机参数并进行实时诊断的本事却不可小觑。

     在芯级液体发动机点火后的2.5秒,健康诊断系统进入发动机诊断窗口;2.5至2.8秒,在短短的0.3秒内,这位“健康管家”需要在前期收集的大量数据基础上,对发动机的健康状况进行诊断:若监测到发动机存在问题,要在须臾间完成故障发动机自动紧急关机,确保固体助推器不再执行点火程序,可谓是“最强大脑”。设计师们还为火箭配置了三套相同的诊断系统,对发动机状态进行同时诊断,如果有两套及以上系统诊断同时判断故障存在,才确定为发动机故障。

  健康诊断系统要想正常工作,必须要有一个健康的“体魄”,要健康到什么程度呢?长六改运载火箭的芯级发动机为低温液氧煤油发动机,液氧的温度为零下183℃,哪怕在设计师提供的“隔水隔热服”的保护下,健康诊断系统周围的环境依然在零下40℃;发动机点火后,周围的温度骤升为130℃,且伴随着强烈振动,工作环境极其恶劣。为此,型号团队根据火箭起飞时刻的环境进行了大量验证试验,终于练就了令设计师满意的产品。

“搭积木”将成未来火箭研制常态

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  本次发射的长征六号改运载火箭,不仅燃料特殊,整个火箭的研制也采用了模块化、组合化、系列化的模式,可以像搭积木一样造火箭。那么,模块化造火箭到底有什么好处?又是怎样实现的呢?

  长征六号改运载火箭沿用了长征五号运载火箭的设计理念,令火箭的模块产品尽可能通用,打造多种构型,匹配不同任务需求。

  航天科技集团八院长征六号改运载火箭总指挥洪刚表示,像我们目前新一代运载火箭当中,长征五号火箭、长征七号火箭和长征八号火箭都是通过模块化、组合化、系列化的这样一种发展途径研制出来的。可以通过不同助推模块的组合形成光杆、捆绑两个固体助推、两个通用芯级液体助推等构型。

  采用模块化火箭制造后,研制人员可以针对不同的任务来快速调节火箭构型,最大程度减少准备时间,降低火箭发射成本。通过通用升级模块,像搭积木一样形成多种构型,满足不同运载能力需求的系列化火箭,研制更高效,组合更加灵活,性价比更高,产品和技术更成熟,为我国新一代运载火箭的创新发展奠定了坚实的基础。

长征火箭家族还有哪些“新成员”?

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  长征五号是新一代大型两级低温液体捆绑式运载火箭,于2016年11月完成首次飞行试验。今后将承担探月工程三期探测器、载人航天空间站试验舱等发射任务。长征五号研制成功后,其综合性能指标与国际先进水平相当。

  长征五号乙运载火箭是以发射空间站舱段任务为目标进行设计的大型近地轨道液体运载火箭,以长征五号运载火箭为基础进行改进研制,按照“通用化、组合化、系列化”要求,遵循技术共用和产品化设计的原则,充分继承长征五号运载火箭研制基础和经验,并提高运载能力和可靠性,满足空间站工程任务要求。

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  长征七号是新一代中型两级液体捆绑式运载火箭,是为了满足空间站工程发射货运飞船而研制的新一代中型运载火箭。货运飞船作为向空间站及空间科学实验室运送货物和推进剂等物资的使者,被亲切地称为太空中的“快递小哥”。

  长征七号甲是基于长征七号的新一代中型高轨三级液体捆绑式运载火箭,火箭主要用于地球同步轨道卫星发射任务,地球同步转移轨道运载能力为7吨,填补我国地球同步转移轨道5.5吨到7吨之间运载能力的空白。

  长征八号是新一代中型两级液体捆绑式运载火箭,火箭可从文昌和酒泉发射。全箭总长50.3米,芯一级直径3.35米,二级直径3米,单个助推器直径2.25米,火箭起飞质量约356吨,主要用于发射近地轨道或太阳同步轨道有效载荷,可以把约5吨的有效载荷送入700公里太阳同步轨道。

  长征十一号是长征系列运载火箭中唯一一型固体运载火箭,可在不同发射场、海上和陆地实施发射。火箭全长近21米,重58吨,起飞推力120吨,兼容2米和1.6米两款整流罩,可将500公斤的有效载荷送入500公里的太阳同步轨道。长征十一号运载火箭具备小时级发射、适应复杂发射环境、基于民用船舶实现海上发射等特点,截至目前火箭已在西昌、酒泉、海上进行过发射,具备很强的适应性。

  立足未来国际航天发展趋势,为保持航天运输系统先进水平,我国规划了新一代长征系列运载火箭型谱。当前,我国新一代运载火箭已集体亮相,逐渐在密集、复杂的航天任务中担当重任,中国运载火箭发展迈入绿色无污染的新阶段,运载能力达到世界一流水平。

  与现役运载火箭相比,新一代运载火箭的推出是又一次巨大的技术跨越,不仅采用无毒、无污染的推进剂,而且运载能力成倍增长,令我国进入空间能力大幅提高。随着新一代长征系列运载火箭的发展和完善,目前现役的运载火箭将逐步退出历史舞台,实现新老火箭全面交替,使我国的运载火箭技术水平实现新跨越。


     来源:中新网、新华网、光明日报、科技日报、北京日报、央视新闻客户端等综合