首飛成功的我國新型火箭長征-6別開生面

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首飛成功的我國新型火箭長征-6別開生面

China’s Novel CZ-6 Rocket Made Successful Maiden Launch

“長征”家族添新丁“一箭多星”創(chuàng)紀錄

編者按：當今世界，微小衛(wèi)星蓬勃發(fā)展，“一箭多星”發(fā)射為微小衛(wèi)星提供了低成本進入太空的機會。伴隨著微小衛(wèi)星技術(shù)的快速發(fā)展，“一箭多星”發(fā)射任務(wù)的需求越來越多。2015年9月20日－10月7日，我國共進行了3次“一箭多星”發(fā)射，共計成功將28顆微小衛(wèi)星送入太空。其中，新型液體火箭長征－6以“一箭二十星”的方式一舉成功將20顆微小衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，不僅開創(chuàng)了我國“一箭多星”發(fā)射的新紀錄，也打破了由印度保持的亞洲“一箭多星”發(fā)射紀錄；執(zhí)行“一箭四星”發(fā)射任務(wù)的新型固體運載火箭長征－11也成功實現(xiàn)首飛。以“一箭四星”方式成功入軌的吉林－1衛(wèi)星組星是我國首批自主研制的商業(yè)遙感衛(wèi)星。

藉此之際，本刊特推出“新型火箭‘一箭多星’發(fā)射與微小衛(wèi)星發(fā)展”專題，以饗讀者。

2015年9月20日，我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用全新研制的長征－6運載火箭成功將20顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這不僅標志著我國“長征”系列運載火箭家族再添新成員，而且開創(chuàng)了我國“一箭多星”發(fā)射的新紀錄。

長征－6是三級液體運載火箭，主要用于滿足微小衛(wèi)星發(fā)射需求，其研制成功對于完善我國運載火箭型譜、提高火箭發(fā)射安全環(huán)保性、提升進入空間能力具有重要意義。

本次發(fā)射的衛(wèi)星分別由中國航天科技集團公司所屬航天東方紅衛(wèi)星有限公司和深圳航天東方紅海特衛(wèi)星有限公司，以及國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)、清華大學(xué)、浙江大學(xué)和哈爾濱工業(yè)大學(xué)等單位研制，創(chuàng)造了國內(nèi)單次發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量之最。為了滿足“一箭多星”發(fā)射任務(wù)要求，各方開展了多輪次的論證和數(shù)學(xué)仿真，并探索系列化、標準化多星發(fā)射接口，為后續(xù)單發(fā)火箭進行更多數(shù)量衛(wèi)星發(fā)射奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

1　創(chuàng)新多多

此次發(fā)射的長征－6是我國新一代運載火箭，它不但提高了我國空間進入能力，實現(xiàn)了運載技術(shù)跨越式發(fā)展，縮小了與世界先進國家差距，還實現(xiàn)了我國在大推力、高可靠性、高適應(yīng)性、低成本運載火箭領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破，對我國運載火箭后續(xù)發(fā)展具有里程碑意義。

此次發(fā)射的是長征－6系列運載火箭的基本型，主要用于滿足微小衛(wèi)星發(fā)射需求。火箭全長29m，可將1t的有效載荷發(fā)射到700km高的太陽同步軌道,其發(fā)射成功為我國后續(xù)新型捆綁式運載火箭發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

長征－6由中國航天科技集團公司上海航天技術(shù)研究院抓總研制，于2009年8月正式批復(fù)立項，采用了全新的總體方案、結(jié)構(gòu)形式、動力系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)，自主創(chuàng)新成果達幾十項。其發(fā)射可靠性提高到0.98，達到國際先進水平。

該火箭首次采用高壓補燃循環(huán)液氧/煤油發(fā)動機和“三平”測發(fā)模式，成功突破了高精度控制技術(shù)、氧箱自增壓技術(shù)、燃氣滾控技術(shù)、箭地一體化快速測發(fā)技術(shù)等一系列關(guān)鍵技術(shù)，并按照“通用化、組合化、系列化”的設(shè)計思路，可進一步提高運載能力，有效提高國際商業(yè)發(fā)射市場競爭力，標志著我國在運載火箭現(xiàn)代化、模塊化方面邁出了堅實一步。

綠色環(huán)保：開啟火箭新征程

近年來，世界各國都加大了對新型運載火箭研制的力度，大直徑、大運載能力、低成本、高可靠、無污染和易操作等成為后續(xù)運載火箭發(fā)展的趨勢。但同時受越來越旺盛的微小衛(wèi)星發(fā)射需求的牽引，發(fā)展經(jīng)濟、靈活、便捷的小型運載火箭，適應(yīng)國際商業(yè)發(fā)射需求，也成為一種發(fā)展趨勢，長征－6由此應(yīng)運而生。

作為我國新一代運載火箭中第一型投入發(fā)射應(yīng)用的火箭，長征－6首次采用了我國最新研制的高壓、大推力、無毒無污染的補燃循環(huán)液氧/煤油發(fā)動機。其第一級直徑為3.35m，采用單臺最大推力為120t的液氧/煤油發(fā)動機，第二、三級直徑均為2.25m，分別采用一臺液氧/煤油發(fā)動機和一臺常規(guī)推進劑發(fā)動機。

為了獲得更大的運載能力，長征－6采用了一系列全新的設(shè)計方案，其中的最大亮點是采用了獨特的發(fā)動機氧箱自生增壓技術(shù)。在火箭飛行中，需要不斷對發(fā)動機氧箱進行增壓。如果用傳統(tǒng)設(shè)計，需要額外增加獨立的增壓氣瓶，這樣會增加火箭的質(zhì)量。而自生增壓方案是利用發(fā)動機燃氣發(fā)生器的富余氧氣返回貯箱中為第一級氧箱進行增壓，即可以為火箭減少12個單獨的增壓氣瓶以及一整套冗余增壓系統(tǒng)，這樣不僅能簡化結(jié)構(gòu)，增加可靠性，也可以大大減輕火箭的質(zhì)量，這在國際上是首創(chuàng)。但是該方案以前從未曾有過應(yīng)用先例，所以一開始受到了專家質(zhì)疑。為此，上海航天部門組織開展了大量試驗和攻關(guān)，充分驗證了方案可行性，并通過熱試車有效驗證了增壓系統(tǒng)的工作性能，僅增壓輸送系統(tǒng)就申請了16項專利。

此外，長征－6還創(chuàng)造性地使用了發(fā)動機燃氣滾控系統(tǒng)，即利用第一級發(fā)動機渦輪泵做功后引出高溫高壓富氧燃氣，與發(fā)動機一起對火箭進行滾動姿態(tài)控制，以保證火箭飛行過程中的姿態(tài)穩(wěn)定，這在國際上屬于首創(chuàng)。

由于長征－6的動力系統(tǒng)和電氣系統(tǒng)與另外在研的兩種新一代運載火箭—長征-5、7基本相同，所以其成功發(fā)射有效地驗證了我國在大推力、高可靠性、高適應(yīng)性、低成本、無毒無污染運載火箭領(lǐng)域的關(guān)鍵技術(shù)突破，標志著我國在運載火箭現(xiàn)代化、推進劑無毒化方向邁出了堅實的一步，也拉開了我國新一代運載火箭投入使用的序幕。

“三平”技術(shù)：“開著”火箭去發(fā)射

在傳統(tǒng)技術(shù)中，運載火箭在執(zhí)行發(fā)射任務(wù)前都需要分段運輸至發(fā)射場，再在發(fā)射塔架上完成各級火箭的垂直吊裝總裝和測試。在我國現(xiàn)役運載火箭中，只有執(zhí)行載人航天發(fā)射任務(wù)的長征-2F火箭采用了整體垂直轉(zhuǎn)運模式。而長征－6針對后續(xù)衛(wèi)星發(fā)射的需求，在國內(nèi)運載火箭領(lǐng)域創(chuàng)造性地采用了“三平”測發(fā)模式，對現(xiàn)役運載火箭的測發(fā)模式進行了一次徹底的變革。

所謂“三平”就是“水平整體測試、水平整體星箭對接、水平整體運輸起豎發(fā)射”。運載火箭在水平狀態(tài)下在廠房內(nèi)完成全箭總裝和測試，包括與衛(wèi)星的對接，同時將整發(fā)火箭水平放置于專門研制的自行式整體運輸起豎車上，由起豎車將火箭水平運輸至發(fā)射工位，并完成水平對接、翻轉(zhuǎn)起豎、垂直定位、燃料加注和發(fā)射等動作。整個過程一氣呵成，大大簡化了發(fā)射區(qū)操作時間和發(fā)射臺占用時間。按照設(shè)計，采用“三平”測發(fā)模式的長征－6的發(fā)射準備周期僅需7天，可有效滿足衛(wèi)星發(fā)射低成本、短周期的需求。

水平吊運長征－6整箭（上海航天 提供）

精準控制：在太空“上門投遞”

火箭的飛行過程看似簡單，但需要經(jīng)歷點火發(fā)射、級間分離、俯仰偏航、軌道修正、發(fā)動機關(guān)機及重新點火、載荷分離等一系列復(fù)雜動作，如何確保對一系列動作進行精準控制，就要靠火箭的“神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)”—控制系統(tǒng)了。

長征－6緊跟國際運載火箭發(fā)展趨勢，將控制、測量、供配電組成了全新的電氣系統(tǒng)，有效提高了火箭電氣系統(tǒng)的先進性、可靠性與適應(yīng)性。在控制系統(tǒng)中，采用了雙八表捷聯(lián)慣組組合導(dǎo)航技術(shù)和迭代制導(dǎo)技術(shù)，綜合利用地面測控網(wǎng)、導(dǎo)航星座系統(tǒng)和中繼衛(wèi)星，實現(xiàn)天基測控和地基測控相結(jié)合，在火箭飛行過程中對火箭狀態(tài)進行實時測量，實現(xiàn)更高的導(dǎo)航精度，確保衛(wèi)星入軌精度達到百米級，實現(xiàn)了點對點的投放，達到國際先進水平。

工藝革新：航天“智”造邁向4.0

長征-6在設(shè)計中采用了全箭數(shù)字化協(xié)同研發(fā)及一體化總裝集成技術(shù)，引入數(shù)字化研發(fā)技術(shù)和從頂向下（Top-Down）的設(shè)計思想，用時髦的話講就是用了工業(yè)4.0的技術(shù)，從總體到分系統(tǒng)到重要單機進行協(xié)同研發(fā)及一體化總裝集成，形成了自頂向下的數(shù)字化設(shè)計流程，建立覆蓋總體、分系統(tǒng)及關(guān)鍵單機的三維數(shù)字樣機，替代實物模裝，大大降低了研制成本。長征－6還緊跟國際運載火箭電氣系統(tǒng)發(fā)展方向，成功應(yīng)用箭地一體化快速測試技術(shù)，實現(xiàn)箭上信息一體化、供配電一體化和地面測發(fā)控系統(tǒng)一體化，測試系統(tǒng)能實現(xiàn)幾百萬條大數(shù)據(jù)信息的實時解析、自動判讀，大大提高了可靠性。

長征－6采用水平整體運輸（上海航天 提供）

為了更好地降低火箭自身質(zhì)量，長征－6首次采用了大溫差隔熱復(fù)合材料夾層共底貯箱。試驗、改進、研制……16個月，22個貯箱，6次低溫加注、強度試驗，最終攻克了夾層共底研制難題，并掌握了激光掃描及仿形加工、結(jié)構(gòu)件整體膠接成型等關(guān)鍵制造技術(shù)。

通過長征－6的研制，上海航天技術(shù)研究院還掌握了高精度膜片貯箱制造加工、高壓引流伺服系統(tǒng)、低溫靜力試驗技術(shù)等一大批自主關(guān)鍵技術(shù)，有力推動了航天制造技術(shù)的快速發(fā)展，并帶動了一大批工藝技術(shù)的改進。

開拓－1拍攝的地球北極照片

多星發(fā)射：商業(yè)發(fā)射新起點

20世紀80年代，上海航天技術(shù)研究院首次在國內(nèi)實現(xiàn)了“一箭三星”發(fā)射，后續(xù)，又使用長征-2D、4B、4C多次完成“一箭多星”的國內(nèi)國際發(fā)射任務(wù)。采用“一箭多星”發(fā)射方式可以充分利用運載火箭的運載能力余量，經(jīng)濟便捷地把搭載衛(wèi)星送入地球軌道，為衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)提供了多種選擇模式，能有力促進微小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展。

長征－6首飛箭以“一箭二十星”方式將開拓－1、希望－2、天拓－3、納星－2、皮星－2、紫丁香－2 等20顆小衛(wèi)星送入了預(yù)定的軌道，這些衛(wèi)星主要用于開展航天新技術(shù)、新體制、新產(chǎn)品等空間試驗，對于促進我國微小衛(wèi)星發(fā)展和新技術(shù)試驗驗證等具有重要意義。同時，為了滿足多星發(fā)射的需求，長征－6還在國內(nèi)首次采用了馮·卡門復(fù)合材料全透波衛(wèi)星整流罩，使衛(wèi)星整流罩具備了全向透波能力,有力改善了全箭力學(xué)環(huán)境和衛(wèi)星環(huán)境條件。

通過對多星發(fā)射技術(shù)的探索，在這次發(fā)射活動中還形成了系列化、標準化的多星發(fā)射接口，為今后進一步降低衛(wèi)星發(fā)射成本、提升多星發(fā)射能力奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

長征－6使用集火箭運輸、起豎、發(fā)射臍帶塔功能于一體的自行式整體運輸起豎車（上海航天 提供）

“天女散花”：防止碰撞有絕招

長征－6的“首秀”創(chuàng)造了國內(nèi)單次發(fā)射衛(wèi)星數(shù)量之最，僅次于美俄兩國，這標志著中國航天科技集團公司成功突破和掌握了多星發(fā)射技術(shù)，為我國發(fā)展系列化、標準化的多星發(fā)射接口裝置，推動小衛(wèi)星技術(shù)發(fā)展與應(yīng)用奠定了技術(shù)基礎(chǔ)，同時也標志著我國在運載火箭現(xiàn)代化、模塊化方面邁出了堅實的一步。

此次發(fā)射的20顆小衛(wèi)星來自6個不同的研制單位，大小質(zhì)量各不相同。要穩(wěn)妥地釋放它們，對火箭有效空間的運用是一個考驗。這20顆小衛(wèi)星中有10顆主星，另外10顆是子星。它們被分成了3層，像金字塔般地分別排列。最底層安放了5顆主星，其中2顆主星各攜帶2顆子星；中間層有4顆主星，其中1顆主星攜帶5顆子星；最上面一層則是1顆主星攜帶1顆子星。

長征－6創(chuàng)造性地采用了支承艙＋多星分配器的布局方式，在一個整流罩的空間內(nèi)完成了所有的衛(wèi)星布置，確保了衛(wèi)星分離速度、方向各不相同，保證分離的安全性。這些成果為日后火箭進一步提升多星發(fā)射能力奠定了基礎(chǔ)。

這20顆小衛(wèi)星被長征－6帶上太空后分4次釋放，每次釋放只間隔幾十秒的時間，如何確保它們不會相互磕著、碰著呢？其中的10顆主星按照一、二、三層依次釋放，其中第三層的5顆主星分2次釋放，另外10顆子星擇機釋放。為了星箭分離后的近場安全，長征－6創(chuàng)新性地采取了“靈巧末級”設(shè)計，即火箭末級可以高精度調(diào)姿和實現(xiàn)正推軌道控制，這在國內(nèi)運載火箭中尚屬首次，給多星分離軌道設(shè)計提供了極大的便利。在多星分離軌道設(shè)計時，還給長征－6創(chuàng)新性地采用了“多星軌道周期控制方法”，即把多顆衛(wèi)星間及與衛(wèi)星與火箭末級的軌道周期拉開后越飛越遠，保證了星星間、星箭間的安全距離。

2　研制歷程

自2009年長征－6正式批復(fù)立項至今，6年的研制攻關(guān)路，記錄了我國新一代運載火箭從無到有、不斷跨越的艱辛歷程。

從零開始

自1970年我國第一枚運載火箭長征－1發(fā)射成功以來，經(jīng)過多年的技術(shù)發(fā)展，我國已先后成功研制了15個型號的運載火箭（2015年10月，又發(fā)射成功了首枚長征-11），組成了相對完備的現(xiàn)役運載火箭型譜，具備了完整的獨立進入空間的能力。進入20世紀90年代后，世界各國都開始投入新型運載火箭的研制之中，進一步提高火箭可靠性、降低發(fā)射成本、提升運載能力成為新型火箭的發(fā)展趨勢。與此同時，我國也提出了發(fā)展新一代運載火箭的設(shè)想。

2008年7月，中國航天科技集團公司明確由上海航天技術(shù)研究院組織開展新型液體運載火箭的研制工作，長征－6的研制由此拉開了序幕。

對于研制團隊而言，這無疑是一個極為令人振奮的消息，因為當時國內(nèi)已近20年未開展新型火箭的研制，能從事一個全新型號的研制，無疑是每一個火箭人都夢寐以求的事。但緊隨而來的卻是前行路上的重重困難，新一代火箭與現(xiàn)有的“長征”系列火箭有著很大的差異—全新的動力系統(tǒng)、更高的安全可靠性要求、低成本發(fā)射控制要求、短周期發(fā)射要求……在沒有成熟經(jīng)驗參考的情況下，創(chuàng)新就是唯一的出路。

發(fā)動機自生增壓系統(tǒng)、燃氣滾控、“三平”測發(fā)、復(fù)合材料夾層共底貯箱、新型電氣系統(tǒng)……一個又一個大膽的設(shè)想在一輪輪通宵達旦的討論中不斷地被提出。研討、改進、論證，再研討、再改進、再論證、再討論……終于，在不到半年的時間里，技術(shù)人員就完成了新型火箭優(yōu)化方案，解決了運載能力、測發(fā)流程、整體起豎可行性、火箭可控性、新型結(jié)構(gòu)方案等幾大難題，總體技術(shù)指標滿足了立項要求。

2009年8月火箭正式批復(fù)立項，命名為長征－6，代號CZ-6。從此，上海航天抓總研制的新一代液體運載火箭有了自己的名字，在中國的“長征”系列運載火箭家族中擁有了自己的位置。

三次試車

2012年11月，火箭迎來研制歷程中最關(guān)鍵的一個考驗—第一級熱試車。這不僅要考核火箭的增壓輸送系統(tǒng)和發(fā)動機，還包括控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)和附加系統(tǒng)，對火箭而言具有里程碑式的重要意義。伴隨著震耳欲聾的聲響和發(fā)動機尾焰蒸騰出的滾滾水汽，短短170s，增壓輸送系統(tǒng)全程增壓正常，控制系統(tǒng)按預(yù)定程序發(fā)出控制指令，伺服機構(gòu)雙向擺角1.6°，燃氣滾控按預(yù)定程序完成6次打開關(guān)閉，101試車臺20年來的首次熱試車圓滿成功。

隨后，2013年4月，第二級熱試車試驗成功。2013年7月，第三級熱試車試驗成功。三次熱試車的圓滿完成，為長征－6首飛奠定了扎實的基礎(chǔ)，也充分驗證了自增壓技術(shù)的可行性。

譜寫新篇

2013年9月，火箭正式轉(zhuǎn)入試樣研制階段，與此同時，研制團隊進駐太原衛(wèi)星發(fā)射中心，開展整箭發(fā)射場合練，為最后的發(fā)射做準備。2013年12月，合練任務(wù)圓滿完成，為長征－6的發(fā)射積累了一整套完備的數(shù)據(jù)和流程。

2015年7月，長征－6正式出廠，同年9月20日，火箭發(fā)射圓滿成功。長征－6的成功發(fā)射，有效解決了原有“長征”系列運載火箭存在的生產(chǎn)發(fā)射周期長等不足，標志著我國在運載火箭現(xiàn)代化、推進劑無毒化方向邁出了堅實一步，并將推動多星發(fā)射裝置系列化、標準化的發(fā)展，也拉開了我國新一代運載火箭投入使用的序幕。

長征－6進行發(fā)射前的最后準備（上海航天　提供）

整裝待發(fā)的長征－6火箭

宗河/文