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动力更足,还能飞行更稳,回顾长征六号改火箭“惊心动魄1000秒”
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来源:上观新闻 作者:俱鹤飞 2022-03-29 19:06
摘要:长六改火箭成功填补了国内运载火箭固液联合控制领域空白。

今天(29日),中国航天科技集团上海航天研究院抓总研制的长征六号改运载火箭稳稳起飞,升腾的火焰与隆隆作响的发动机在春寒料峭的山谷轰鸣,“助推器分离”“整流罩分离”“一二级分离”……环环紧扣,一气呵成,卫星成功被送入预定轨道,任务的圆满成功让长征系列运载火箭家族成员顺利“+1”,同时也成功填补了国内运载火箭固液联合控制领域空白。

让火箭更“聪明可靠”

“上海航天现役的运载火箭都为单芯级构型,从外形上看,就是一根‘光杆箭’,长六改为上海航天首款采用芯级捆绑4枚助推器构型的火箭,而且还是国内首款固液混合动力火箭,一次性实现了单芯级到芯级助推捆绑再到液体芯级固体助推混合捆绑的三级跳。”上海航天长征六号改控制系统负责人周静介绍,四个固体助推器为全箭提供了近70%的推力,让长六改更能“扛”,飞得更高,“作为控制系统研制单位,我们的任务是让火箭拥有一个更聪明也更健壮的‘大脑’,让长六改飞得更稳,更精准地将卫星‘投递’到预定轨道。”

从发动机点火到星箭分离的1000多秒时间里,运载火箭会经历固体助推器与芯级分离、整流罩分离、一二级分离、星箭分离等一系列动作,每一步都至关重要,特别是一级助推联合飞行段,给控制系统带来了巨大挑战。

固体发动机推力大,但本身存在推力全程不稳定的问题,不像液体发动机可以持续输出一条平稳的直线。控制系统副主任设计师胡存明说:“而且捆绑在火箭四个方位的固体助推器,点火后也做不到完全‘步调一致’,有的是急性子,有的稍微慢一点,这会对火箭产生一定的翻转力矩。”为此,控制系统研制团队对各类极限条件进行了全面的仿真与评估,采用固体捆绑火箭三通道联合摇摆控制方案,将“液氧煤油发动机+液压伺服机构与固体发动机+电动伺服机构”这种跨界混搭组合牢牢把握,确保火箭的平稳飞行。

另外,长六改高度达到了50米,整流罩直径为4.2米,是个长着“大脑袋”的“高个子”,显得“脖子”又细又长。“这就意味着二级箭体相对来说结构强度较弱,气动载荷的干扰会更明显,也就是高空风的影响。”控制系统副主任师王鹏说,好比高速上过大桥的时候,会明显感觉到侧向风对车的作用,速度越高,越容易将车吹离车道。“最好是调整方向,迎着风向开,火箭也是一样的道理。”

为此,控制系统团队采用了主动减载控制技术,降低作用在箭体上的气动载荷,使火箭灵活调整姿态,迎着气流飞行,减少高空风对发射的影响,更好地适应快速、高密度发射需求。

“将可靠性做到极致”

“为了完美实现长六改这一三级跳的飞跃,控制系统除了足够‘聪明’外,还要足够‘健壮’,在研制初期,我们就确立了将可靠性做到极致的目标。”周静表示,团队对控制系统进行了“系统架构+单机设计”的多层级冗余保障措施,不管是作为“神经网络”的总线,还是作为“眼睛”的惯组、“中枢”的箭机,抑或是执行指令的“四肢”伺服系统和姿控喷管,都有“三头六臂”,可以保证一度故障安全飞行,并提升二度故障适应能力。

对于在火箭飞行过程中对于姿态调整起着关键作用的伺服系统,团队更是于国内首次提出并应用了在线故障诊断与自适应重构技术。据胡存明介绍,以前,研制人员会将伺服系统可能出现的故障模式一一列出,制定好控制策略,预装到飞行软件里。“但是对于长六改而言,伺服机构多达12台,单台伺服机构的故障模式也多达18种,所以我们要‘教会’它如何在线自我诊断和自我修复,用智能控制方法让火箭智能飞行。”

在飞行过程中,当某台伺服机构出现故障时,控制系统会根据自我诊断后的结果,重新进行计算并分配指令,确保控制力合力不变,要做到既不“漏诊”也不“误诊”,这不仅关系到飞行稳定性,还关系着助推器的分离安全和落点控制。

另外,在星箭分离段和离轨段,火箭靠姿控喷管维持自身飞行姿态,为了能够实时感知各喷管状态,团队同样采用了姿控喷管的在线故障诊断技术与自适应重构技术,保证这直接决定卫星入轨精度的“最后一公里”安全无误。

栏目主编:李晔 题图来源:摄影:孙公明
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