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航天最燃跨界!我国首型“混动版”长征运载火箭面世,揭秘三大看点→
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来源:上观新闻 作者:俱鹤飞 2022-03-29 19:06
摘要:运载火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。

3月的太原卫星发射中心,春寒料峭。长征六号改运载火箭无惧寒风,稳稳矗立在发射架上。

“10,9,8……3,2,1,点火!”

29日17时50分,伴随着千万双眼睛的期待,中国航天科技集团上海航天技术研究院抓总研制的长征六号改遥一运载火箭点火升空,划破苍穹,顺利将两颗卫星送入预定轨道,发射取得圆满成功。

作为我国首型固体捆绑火箭,“混动火箭”“智能诊断”“无人值守”等一系列技术突破,成功助力长六改火箭圆梦九天,谱写了新一代运载火箭研制的新篇章。

“混动火箭”更高效

回顾我国运载火箭发展史,长征系列运载火箭已迈入“400+”发射的崭新征程,但尚未有固体捆绑火箭的先例。长六改运载火箭作为我国第一型“混合动力”的新一代长征系列运载火箭,在技术难度高、系统复杂的航天领域也玩了一把“跨界”,充分发挥液体发动机性能高、工作时间长和固体发动机推力大、工作可靠、使用维护简单的综合优势,进一步完善了我国运载火箭型谱,大幅提升了我国进入空间、利用空间、探索空间的能力。

接到长六改火箭的研制任务时,上海航天长六改总师张卫东还一心投入在长征六号的关键技术攻关工作中。这位有着多型运载火箭研制经验的老将清醒地认识到,运载火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大,只有研制一枚运载能力更强、可靠性更高、性价比更优的新一代中型火箭,才能抢占先机,进一步提升我国进入空间的能力。

综合技术发展趋势和国内的研究现状,长六改火箭从论证之初便确定了采用固体捆绑的总体思路,即采用液体芯级捆绑固体助推构型。因为在运载火箭动力系统有一个共识,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,可以免去在发射场复杂的加注流程。同时,这是当前国际中大型运载火箭的主流方案,美国的宇宙神5、欧洲的阿里安5、日本的H-2A等,也已有过多次成功发射的记录。在我国现役运载火箭中,有单纯以固体发动机或液体发动机作为推力的运载火箭,但固体捆绑运载火箭的研制尚属头一次。

万事开头难,“第一个吃螃蟹的人”更是无经验可借鉴。自上海航天参与我国运载火箭研制以来,从未有过捆绑火箭的抓总研制经验,但这反而激发了型号队伍那股不服输的劲头:“以前都是光杆箭,现在我们也开始搞捆绑火箭了!”

在论证初期,组合出的火箭构型有近百种。比如到底是做两级半火箭还是三级半火箭?型号团队展开过无数次激烈的辩论。“三级半火箭的运载能力更强,但成本更高。”“两级半火箭可靠性高、成本更低,但运载能力比三级半小。”……随着论证工作的不断深入,长六改火箭的构型在团队一次次的“头脑风暴”中逐渐明朗起来。

2017年1月,长六改运载火箭的总体方案确定为两级半构型,即:芯一级3.35米直径、使用两台YF-100液氧煤油发动机;芯二级3.35米直径、使用一台YF-115液氧煤油发动机,助推采用四台2米两段式固体发动机。2017年9月,长征六号改运载火箭顺利通过由用户组织的立项评审;2018年10月,长征六号改运载火箭正式立项。

事实证明,固体发动机推力大、简单可靠的特点在长六改运载火箭上体现得淋漓尽致。芯一级捆绑了4台以固体燃料为动力的助推器,单枚助推推力可达120吨,刷新了长征系列运载火箭最快“起跑”纪录,同时,借助固体发动机结构相对简单、部组件少、可靠性高、操作维护方便、贮存时间长的优势,长六改运载火箭箭上管路系统减少55%、可实现固体助推器在发射场直接安装、并实现捆绑火箭14天快速发射。

“健康管家”更智能

作为我国首型固体捆绑火箭,火箭芯级采用液氧煤油发动机,捆绑了四个固体发动机作为助推器。与常规的运载火箭点火流程不同,火箭发射时,长六改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。

固体发动机虽然工作可靠、使用维护简单,但却存在一旦点火就无法实施紧急关机的情况;相反,火箭芯级采用的液体发动机则可以通过紧急关机系统实现关机。因此,在固体助推器点火为长六改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,在确保芯级发动机健康无虞的前提下,固体助推器才执行点火程序。

那如何在发射前为火箭发动机做一次全面健康检查?上海航天长六改火箭的设计师们为火箭芯一级的液体发动机配置了一位“健康管家”,即发动机健康诊断系统。

但是“打铁还需自身硬”,这位“健康管家”要在极短的时间内对液体发动机启动后的工作状态进行准确无误地判断,还不能因自身故障把正常工作的发动机误关机,导致火箭发射推迟,真正做到快速诊断、准确判断,保证发射任务万无一失。

据设计师介绍,目前国内尚无在火箭发射中应用发动机健康诊断系统的先例,此次发射任务的成功进一步验证了健康诊断系统方案设计的正确性以及工程应用的可靠性。

发动机健康诊断系统在芯级发动机点火后开始工作,此时,固体助推器尚未点火产生强大的起飞推力,四个助推器的重量可以将整个火箭牢牢固定在发射台上。健康诊断系统仅有0.3秒的时间,对芯级发动机健康状态进行迅速诊断,从而决定发射进程能否继续;如果诊断时间过长,则会持续消耗发动机的推进剂,影响火箭的运载能力。

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。但是这次,长六改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—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”。

发动机健康诊断系统可不可靠?数据采集错误怎么办?会不会误关了正常发动机?设计师们一边大胆设计,一边小心求证。海量数据分析是准确判断的基础,为此,长六改火箭的设计师们联合发动机系统,对发动机健康诊断系统参数进行详细研究,从几万秒的试车数据中寻找参数规律,确定健康诊断系统的诊断算法,并进行了上百次的仿真验证,在确保发动机不发生误关机的同时,尽早发现故障。

火箭发射100%成功是所有航天设计师的共同追求,尽管诊断算法已经经过一系列的考验和验证,设计师们还是决定给长六改首飞箭上装上“双保险”。为此,他们给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,才认为发动机故障。这好比一场比赛配备了三名裁判员,有两名及以上裁判员判定球员犯规,才可以实施惩罚。

为考核产品在发动机真实环境中的表现,健康诊断系统先后6次参加了发动机真实试车考核,圆满完成了发动机健康诊断,充分验证了健康诊断系统的环境适应性,为长六改火箭首飞成功奠定了坚实的基础。

当火箭拔地而起时,这名“健康管家”圆满完成了自己的使命,有效保证了长征六号改运载火箭发射圆满成功。

“无人值守”更安全

29日14时许,距离我国首枚固体捆绑中型运载火箭长征六号改的首飞还有4小时。在测控发射大厅里,上海航天长六改试验队员正在有序推进火箭发射前的各项加注以及测试工作。与以往运载火箭发射不同,此时,前端塔架上所有操作人员早已安全撤离。火箭发射前的所有工作都将通过测控发射大厅实现远程控制。这就是长六改火箭无人值守技术带来的发射场景。

17时50分,火箭点火指令发出,火箭二级加泄连接器、整流罩连接器瞬时脱落,火箭一飞冲天,我国运载火箭首次无人值守技术完美亮相。这为我国运载火箭的发射新增了一层“生命安全保障”,使得我国运载火箭的智能化水平和安全性保证再上新台阶。

“通过‘无人值守’,长六改运载火箭实现了相比常规运载火箭发射流程提前了近3.5小时。为此我们全面梳理电气、动力及箭地操作各方面的射前工作流程,提出了配合流程优化的多项创新技术,最终实现了长六改火箭的‘无人值守’。”长六改运载火箭总指挥洪刚表示,这充分保障了最后一批撤离塔架的前方试验队员的安全,践行了“以人为本”的理念,也标志着上海航天为新一代运载火箭智能化发展贡献了力量。

具体而言,在常规的火箭发射流程中,加泄连接器一般采用人工现场手动对接、自动脱落的方式,而长六改火箭打造的地面发射支持系统则将火箭芯一级的加泄连接器升级为一款可自动对接的“智能机械臂”,以“一臂之力”实现了我国运载火箭的首次智能化对接加注。

但是这“一臂之力”背后,面临的难题却不少。火箭加注前,会因为载荷变化或风力的影响产生随机晃动,在火箭“随风摇曳”的状态下,怎么才能让机械臂对得准?上海航天805所设计师历时4年攻关,通过跨学科钻研,赋予了机械臂自主学习和空间姿态捕获的能力,让它像长了“大脑和眼睛”一样,具备了动态测量、实时跟踪的本事,可以确保在雨、雪、雾等复杂天气环境中准确获取目标位置。

除此之外,由于加泄连接器与火箭上的加注阀门都采用金属材质,稍许的磕碰就会产生划痕或金属碎屑,从而影响管路的气密性,因此在对接过程中要保证动作足够“轻柔”,实现精准对接。805所设计师综合运用6个自由度柔性连接的方式和基于导向容差结构的机械被动柔顺方式,做到如试验队员现场操作一般,实时调整用力方向,让连接器温柔又精准地与箭上阀门对接。

长六改运载火箭的二级加泄连接器、卫星整流罩空调送风连接器均采用零秒脱落技术,也就是在火箭起飞的瞬间连接器完成迅速脱落。这意味着高可靠的脱落分离对连接器来说至关重要,如果分离不成功或分离时产生的力过大,可能对箭体结构以及火箭的起飞姿态等造成严重影响。

为了使加泄连接器在加注过程中、在火箭点火至起飞前恶劣的振动环境下保持与箭体接口可靠连接,同时又需要保证在火箭起飞后与箭体接口的可靠分离,设计师们在进行二级加泄连接器设计时采用骑搭结构,该结构简单、对接容易、可靠性高,能够保证让加泄连接器紧紧地抓住火箭;而在分离环节设计时,则采用主动脱落、被动脱落等四重冗余脱落方案,即便在脱落机构卡死、脱落供气失效等极端情况下,二级加泄连接器依然能够实现安全可靠脱落。

脱落成功后,二级加泄连接器还有一个重要步骤,那就是快速将连接器迅速收回至塔架,避免因箭体起飞漂移或燃气气流影响,造成连接器与箭体发生碰撞。为此,长六改火箭设计了一套强制收回与捕获系统,可以有效控制连接器脱落后的活动范围。据设计师介绍,该系统具有“力气大、接触柔”的特点。“力气大”可以能保证连接器脱落后将其快速收回至塔架,防止随“风”飘动对火箭起飞造成影响;“接触柔”,相当于给连接器配备了“缓冲防护垫”,减小回收的冲击力,避免撞坏产品本身。

面对后续高密度发射的形势,洪刚表示,长六改运载火箭将持续深化科研生产模式转型,包括对研制生产流程进一步优化,深度对标精益管理的各项要求,大力推进数字化应用打通设计生产协调等具体措施,提升新一代运载火箭的可靠性、安全性、智能化水平;同时,火箭采用模块化、组合化、系列化发展途径,通过助推器的调整,可形成单芯级、捆绑2台固体助推器、捆绑4台固体助推器、捆绑通用芯级等多种构型,形成运载能力覆盖范围广、梯度合理,性价比高的运载火箭系列,满足未来卫星多样化的密集发射需求。

栏目主编:李晔 题图来源:摄影:孙公明
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