長征八號運(yùn)載火箭首飛意義及關(guān)鍵技術(shù)

吳義田 陳曉飛 張津澤 徐珊姝 楊樹濤 劉銀 趙永志 宮長輝 （北京宇航系統(tǒng)工程研究所）

長征八號運(yùn)載火箭在文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射

作為我國新一代中型運(yùn)載火箭，長征八號（CZ―8）運(yùn)載火箭于2020年12月22日首飛成功！長征八號火箭填補(bǔ)了我國太陽同步軌道（SSO）運(yùn)載能力的空白，突破了發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)、基于數(shù)值仿真的動特性獲取、飛行載荷控制、Ka頻段高碼率天基測控等一系列關(guān)鍵技術(shù)，并成功進(jìn)行工程應(yīng)用。長征八號運(yùn)載火箭具有適應(yīng)性強(qiáng)、運(yùn)載效率高、經(jīng)濟(jì)性好等特性，未來將逐步成為我國中低軌運(yùn)載火箭的主力。

1 引言

近年來我國航天事業(yè)迅猛發(fā)展，國際商業(yè)航天發(fā)射市場對中低軌航天器的發(fā)射需求越來越龐大，而“長征”系列運(yùn)載火箭各自的定位和使命不同，當(dāng)需要執(zhí)行3～5t級左右的SSO軌道發(fā)射任務(wù)時(shí)，長征五號和長征七號大材小用，長征六號和長征十一號又難以扛起重任。

長征八號火箭秉承了新一代運(yùn)載火箭“模塊化、組合化、系列化”的發(fā)展思路，采用模塊化組合的方法進(jìn)行研制，具有良好的繼承性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性和適應(yīng)性，可以滿足未來中低軌高密度發(fā)射任務(wù)需求。長征八號火箭采用了綠色無污染推進(jìn)劑，是新一代運(yùn)載火箭型譜的重要組成，為后續(xù)運(yùn)載火箭的升級換代提供有力支撐。

2030年前，主流的1～8t中型航天器的發(fā)射需求非常龐大，其中，中、低軌道占59%，97%的發(fā)射任務(wù)都可以用長征八號火箭執(zhí)行。同時(shí)，當(dāng)前星座組網(wǎng)發(fā)射成為爆點(diǎn)，以商業(yè)發(fā)射、“一箭多星”為主要特征。預(yù)計(jì)2023年前后，星座發(fā)射年均將達(dá)到10次以上，長征八號火箭作為商業(yè)發(fā)射的有力競爭者也很有優(yōu)勢。

“十三五”中期，長征八號火箭立項(xiàng)并開始研制，火箭定位為：填補(bǔ)新一代運(yùn)載火箭型譜空白，形成可覆蓋1～5t SSO運(yùn)載能力低成本主力中型火箭；對標(biāo)國際一流，降本增效，打造出一款具有國際競爭力的火箭。

2 火箭總體情況

長征八號火箭采用芯級捆綁2枚助推器構(gòu)型，全長約50.3m，起飛質(zhì)量約356t，起飛推力約480t，700km SSO軌道運(yùn)載能力不小于4.5t。

火箭芯一級直徑3.35m，配置2臺120t級YF-100液氧煤油發(fā)動機(jī)；捆綁2枚助推器，直徑2.25m，各配置1臺120t級YF-100液氧煤油發(fā)動機(jī)；芯二級直徑3m，配置2臺8t級YF-75氫氧發(fā)動機(jī)；整流罩直徑4.2m。

長征八號火箭由箭體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、總控網(wǎng)系統(tǒng)和地面發(fā)射支持系統(tǒng)組成。

長征八號火箭系統(tǒng)構(gòu)成

3 火箭特點(diǎn)

適應(yīng)性強(qiáng)

長征八號系列火箭可以完成不同軌道的發(fā)射任務(wù)，可以為低軌星座、低傾角衛(wèi)星、小型電推進(jìn)高軌衛(wèi)星等提供服務(wù)；700km SSO運(yùn)載能力覆蓋3.0～5.5t級，可滿足大部分中大型有效載荷或多星組網(wǎng)的發(fā)射需求。

長征八號火箭配套形成了兩款整流罩，整流罩A的直徑為4.2m，柱段高度為4.5m，罩內(nèi)最大可用包絡(luò)Ф3.85m；整流罩B直徑為4.2m，柱段高度為8m，罩內(nèi)最大可用包絡(luò)Ф3.8m。采用國際標(biāo)準(zhǔn)的星箭接口，可用660、937、1194、2334等線性連接解鎖裝置；可采用標(biāo)準(zhǔn)化、通用化的點(diǎn)式連接解鎖裝置，靈活適應(yīng)衛(wèi)星“一箭一星”或“一箭多星”的發(fā)射需求。

運(yùn)載效率高

運(yùn)載效率為火箭運(yùn)載能力與起飛質(zhì)量的比值，是表征火箭性能的一項(xiàng)重要指標(biāo)。長征八號火箭作為一款帶捆綁的液體中型運(yùn)載火箭，采用組合化、模塊化研制，從立項(xiàng)到首飛成功，僅用時(shí)3年多，創(chuàng)造了我國運(yùn)載火箭研制時(shí)間最短的紀(jì)錄。長征八號火箭采用了液氧/煤油、液氫液氧等推進(jìn)劑，在SSO軌道發(fā)射市場領(lǐng)域，其運(yùn)載效率處于國內(nèi)領(lǐng)先水平。

經(jīng)濟(jì)性好

為了適應(yīng)國際航天的發(fā)展趨勢，各國都在積極降低發(fā)射成本，參與市場競爭。歐洲阿里安-6（Ariane-6）火箭期望將地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）的價(jià)格從阿里安-5的2萬美元/kg降低50%，并在未來降至5千美元/kg。而太空探索技術(shù)公司（SpaceX）面向SSO軌道小衛(wèi)星搭載的報(bào)價(jià)已經(jīng)是5千美元/kg。長征八號火箭對標(biāo)國際，從設(shè)計(jì)階段開始，采用一系列方法積極降低發(fā)射成本，參與市場競爭。

長征八號火箭主要降低成本的技術(shù)手段包括：①充分繼承已有的技術(shù)，并盡可能實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品化設(shè)計(jì)；②采用成本低廉的材料，成熟高效的工藝，以降低制造成本；③采用一體化的電氣系統(tǒng)，以減少產(chǎn)品配套，這也是降低成本的有力措施；④簡化地面產(chǎn)品配套，形成一體化的地面測發(fā)控系統(tǒng)，并通過集成優(yōu)化來降低成本；⑤通過天基測控等手段，降低對地面系統(tǒng)的依賴，可以降低發(fā)射成本。

基于上述設(shè)計(jì)思路與方法，長征八號火箭首飛實(shí)現(xiàn)了部分降低成本的技術(shù)應(yīng)用，后續(xù)還將迭代改進(jìn)，進(jìn)一步提升經(jīng)濟(jì)性。

4 關(guān)鍵技術(shù)

長征八號火箭突破了發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)、基于數(shù)值仿真的動特性獲取、飛行載荷控制、Ka頻段高碼率天基測控等一系列關(guān)鍵技術(shù)。

發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)

發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)是未來實(shí)現(xiàn)火箭重復(fù)使用、降低成本的重要技術(shù)。長征八號火箭實(shí)現(xiàn)了發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)的首次工程應(yīng)用，是國內(nèi)首個(gè)在飛行中采用發(fā)動機(jī)推力節(jié)流的火箭，為火箭的可回收式設(shè)計(jì)積累了重要的工程經(jīng)驗(yàn)。研制人員結(jié)合YF-100發(fā)動機(jī)節(jié)流參數(shù)設(shè)計(jì)、適應(yīng)性改進(jìn)、試驗(yàn)驗(yàn)證等環(huán)節(jié)，完成了關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)。

我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭SSO軌道運(yùn)載效率對比

1）完成了發(fā)動機(jī)節(jié)流參數(shù)及減載設(shè)計(jì)的閉環(huán)，明確發(fā)動機(jī)節(jié)流指標(biāo)。針對不同節(jié)流比例開展了最優(yōu)能力彈道設(shè)計(jì)，在設(shè)計(jì)過程中考慮各項(xiàng)火箭彈道設(shè)計(jì)約束，確定火箭首飛任務(wù)中發(fā)動機(jī)節(jié)流比例為77.5%。

2）發(fā)動機(jī)完成了節(jié)流研制，先后完成1臺2次低工況長程試車，以及與控制系統(tǒng)、伺服機(jī)構(gòu)等聯(lián)合試車，考核了長程、低工況工作的性能，驗(yàn)證了系統(tǒng)間的匹配性。

3）控制系統(tǒng)確定節(jié)流控制方案，開展了2次推力調(diào)節(jié)電機(jī)控制匹配試驗(yàn)，驗(yàn)證了變頻控制規(guī)律，以及驅(qū)動電路與步進(jìn)電機(jī)之間的匹配性。

發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)試車

4）一級伺服機(jī)構(gòu)針對芯一級發(fā)動機(jī)77.5%工況進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，并完成了性能驗(yàn)證試驗(yàn)，可適應(yīng)發(fā)動機(jī)變推力工況。

基于數(shù)值仿真的動特性獲取技術(shù)

長征八號火箭是我國首個(gè)研制階段未開展全箭模態(tài)試驗(yàn)的捆綁式運(yùn)載火箭，如何快速準(zhǔn)確獲取全箭動特性數(shù)據(jù)成為研制中必須攻克的一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

長征八號火箭提出基于已有箭體模塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)和數(shù)值仿真分析相結(jié)合的全箭動特性獲取技術(shù)方案，創(chuàng)新采用基于關(guān)鍵部段連接剛度敏感度影響分析的模態(tài)數(shù)據(jù)偏差選取方法，并首次將模態(tài)振型斜率精細(xì)化預(yù)示技術(shù)應(yīng)用于型號設(shè)計(jì)實(shí)踐；先后進(jìn)行全箭精細(xì)化動力學(xué)建模及模型組裝、模塊連接關(guān)鍵部段剛度敏感度影響分析、慣性器件振型斜率精細(xì)化仿真預(yù)示、相似型號模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)及偏差統(tǒng)計(jì)包絡(luò)分析、靶場豎立模態(tài)試驗(yàn)驗(yàn)證5個(gè)方面工作，快速準(zhǔn)確獲取全箭動特性參數(shù)，保障首飛成功。

1）創(chuàng)新提出基于關(guān)鍵部段連接剛度敏感度影響分析的模態(tài)數(shù)據(jù)偏差選取方法，很好地解決了未開展模態(tài)試驗(yàn)情況下，動力學(xué)模型準(zhǔn)確性量化評估難題。

2）建立慣性器件安裝艙段整體及局部精細(xì)化動力學(xué)模型，首次將模態(tài)振型斜率精細(xì)化預(yù)示技術(shù)應(yīng)用于型號設(shè)計(jì)實(shí)踐。

3）組織發(fā)射場全箭豎立狀態(tài)模態(tài)試驗(yàn)，提出采用豎立狀態(tài)模態(tài)試驗(yàn)數(shù)據(jù)驗(yàn)證飛行狀態(tài)全箭動力學(xué)模型的方法，充分利用地面試驗(yàn)降低首飛技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

發(fā)射場全箭豎立模態(tài)試驗(yàn)

飛行載荷控制技術(shù)

傳統(tǒng)研制設(shè)計(jì)流程一般是根據(jù)飛行載荷來設(shè)計(jì)箭體結(jié)構(gòu)，并通過部段靜力試驗(yàn)考核箭體結(jié)構(gòu)是否滿足設(shè)計(jì)載荷要求，通過靜力試驗(yàn)即代表滿足了飛行任務(wù)的承載要求。而長征八號火箭是基于已有箭體結(jié)構(gòu)模塊進(jìn)行研制，箭體的承載能力已固定，其研制流程是通過多輪次彈道、姿控、載荷等相關(guān)專業(yè)的迭代優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得飛行載荷不超出已有箭體結(jié)構(gòu)承載能力。為了減低飛行載荷，長征八號火箭采用的飛行載荷控制技術(shù)共使用了如下4項(xiàng)子技術(shù)。

1）發(fā)動機(jī)節(jié)流。通過使用該技術(shù)，可以在進(jìn)入大風(fēng)區(qū)之前，降低火箭的加速能力，降低其在稠密大氣段的速度，從而減少動壓，降低火箭在大風(fēng)區(qū)段的彎矩載荷；

2）彈道風(fēng)修正。運(yùn)載火箭在穿過稠密大氣時(shí)，由于高空風(fēng)的存在，會產(chǎn)生附加氣流攻角，對飛行中的氣動載荷產(chǎn)生不利影響。為改善火箭的飛行條件，彈道可根據(jù)高空風(fēng)速風(fēng)向與火箭射向的關(guān)系，通過預(yù)先調(diào)整飛行姿態(tài)，進(jìn)而降低飛行中氣流攻角；

3）主動減載。通過箭上安裝橫法向加表，將加表測量的橫法向加速度引入控制回路，通過降低氣動干擾產(chǎn)生的載荷攻角和擺角來降低載荷；

4）載荷精細(xì)化設(shè)計(jì)。通過提升火箭飛行彈性彎矩載荷的準(zhǔn)確性，主要通過提升陣風(fēng)隨機(jī)干擾外激勵的準(zhǔn)確性，將傳統(tǒng)方法進(jìn)行精細(xì)化設(shè)計(jì)，降低飛行載荷。

通過上述4項(xiàng)技術(shù)的研究及應(yīng)用，減載效果明顯，各項(xiàng)減載技術(shù)匹配性好，滿足了火箭結(jié)構(gòu)的承載能力要求。

Ka頻段高碼率天基測控硬件設(shè)備

Ka頻段高碼率天基測控

長征八號火箭應(yīng)用Ka頻段3Mbit/s天基測控系統(tǒng)彌補(bǔ)地基測控的測控盲區(qū)，完成箭上二級遙測參數(shù)高速下傳，降低了火箭發(fā)射對測控的強(qiáng)依賴性。天基測控子系統(tǒng)主要由中繼測控終端和Ka頻段相控陣天線以及相應(yīng)的電纜網(wǎng)組成。

中繼測控終端用于接收箭上PCM數(shù)據(jù)流，按要求對全幀數(shù)據(jù)進(jìn)行挑路，形成返向鏈路數(shù)據(jù)流，并從中挑出實(shí)時(shí)的起飛、火箭位置、姿態(tài)信息，根據(jù)上述信息計(jì)算相控陣天線的波束指向，使其波束對準(zhǔn)中繼衛(wèi)星，完成天線的雙向捕獲。

Ka頻段相控陣天線采用二維有源相控陣天線設(shè)計(jì)，主要用于波束指向角度信息轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的波控碼，通過控制陣列天線各單元的相位，在中繼衛(wèi)星方向得到同相合成的高增益波束，配合測控終端完成與中繼衛(wèi)星系統(tǒng)之間無線信號的傳輸，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭系統(tǒng)和中繼衛(wèi)星的通信。

相控陣天線采用程序跟蹤模式，接收火箭的實(shí)時(shí)位置、姿態(tài)、時(shí)間等信息，計(jì)算出波束指向角，由相控陣天線波控器根據(jù)指向角控制移相器實(shí)現(xiàn)發(fā)射波束的正確指向。

Ka頻段相控陣天線設(shè)計(jì)主要涉及波束指向算法、高可靠性高密度總體集成技術(shù)、高效率高性能天線陣列設(shè)計(jì)技術(shù)和相控陣天線熱控技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)備小型化及飛行高精度跟蹤。

5 首飛意義

1）填補(bǔ)了我國新一代運(yùn)載火箭的能力空白。目前我國已研制成功的新一代運(yùn)載火箭由于各自的定位和使命不同，均難以有效適應(yīng)3～4.5t左右SSO軌道衛(wèi)星及衛(wèi)星組網(wǎng)的發(fā)射。長征八號火箭700km SSO軌道運(yùn)載能力達(dá)到4.5t以上，有效填補(bǔ)了新一代運(yùn)載火箭的能力空白，并同時(shí)兼顧近地軌道（LEO）和GTO軌道發(fā)射能力，進(jìn)一步完善了我國運(yùn)載火箭型譜。

2）突破基于模塊組合的快速集成設(shè)計(jì)，遵循“模塊化、系列化、組合化”的發(fā)展思路。長征八號火箭充分繼承在役型號的產(chǎn)品和技術(shù)，借鑒已有的試驗(yàn)驗(yàn)證成果，實(shí)現(xiàn)型號快速集成研制。它是我國首個(gè)研制中未開展全箭模態(tài)試驗(yàn)的中大型火箭，采用虛實(shí)結(jié)合的模態(tài)分析技術(shù)。全箭動特性數(shù)據(jù)在已有模塊試驗(yàn)數(shù)據(jù)及動力學(xué)模型的基礎(chǔ)上，通過全箭動力學(xué)模型組裝和數(shù)值仿真計(jì)算獲取。通過長征八號的研制探索，為后續(xù)其他大型、重型火箭的模態(tài)綜合技術(shù)奠定基礎(chǔ)，在提高效率、節(jié)約經(jīng)費(fèi)上積累了寶貴經(jīng)驗(yàn)。

3）發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)的首次工程應(yīng)用，提升了運(yùn)載火箭任務(wù)適應(yīng)性，推進(jìn)了運(yùn)載火箭重復(fù)使用技術(shù)的發(fā)展。該技術(shù)將大幅提升總體設(shè)計(jì)優(yōu)化能力，助力提升火箭的任務(wù)適應(yīng)能力。同時(shí)，發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)的使用，將為后續(xù)我國一次性運(yùn)載火箭重復(fù)使用技術(shù)提前進(jìn)行相關(guān)技術(shù)驗(yàn)證，為我國重復(fù)使用運(yùn)載火箭研制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

4）突破了飛行載荷控制技術(shù)，同時(shí)兼顧提升對故障的適應(yīng)能力，為結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化、飛行智慧化打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。長征八號火箭由于受到了現(xiàn)有模塊結(jié)構(gòu)特性的限制，其遇到了靜不穩(wěn)定度大的難題，同時(shí)對減載控制等提出很高要求。通過深入研究分析各種減載穩(wěn)定控制方法，采用基于角速率和橫法向過載信息融合的自適應(yīng)減載控制技術(shù)，提升了輕質(zhì)貯箱結(jié)構(gòu)對時(shí)變不確定風(fēng)場的適應(yīng)性，實(shí)現(xiàn)了主動減載的目的。設(shè)計(jì)了基于控制效果的噴管極性辨識和控制重構(gòu)算法，開展了滑行段飛行故障在線辨識，具備了特定故障工況下自主進(jìn)行姿態(tài)控制重構(gòu)的能力，提升了火箭飛行控制的適應(yīng)性和智能化水平。

5）實(shí)現(xiàn)我國運(yùn)載火箭Ka頻段高碼率天基測控首次全程數(shù)據(jù)和圖像獲取，為運(yùn)載火箭天基測控升級換代奠定基礎(chǔ)。長征八號火箭配備了3Mbit/s Ka頻段天基測控終端和相控陣天線，有效解決了地基測控弧段不足、S頻段碼率受限的難題。此次Ka頻段高碼率天基測控全程數(shù)據(jù)和圖像獲取的實(shí)現(xiàn)，驗(yàn)證了Ka頻段天基測控作為我國運(yùn)載火箭天基測控未來的主要手段的可行性和正確性，為后續(xù)全面推行應(yīng)用奠定堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)，可以節(jié)省大量地面測控資源，助力提升我國運(yùn)載火箭發(fā)射頻率和任務(wù)適應(yīng)性。

6）助推我國運(yùn)載火箭升級換代，體現(xiàn)我國建設(shè)航天強(qiáng)國的決心。長征八號火箭芯一級和助推器采用液氧煤油為推進(jìn)劑，芯二級采用液氧液氫為推進(jìn)劑，加速推進(jìn)了運(yùn)載火箭無毒化進(jìn)程，牽引無毒無污染新一代運(yùn)載火箭系列化、型譜化發(fā)展，替代常規(guī)有毒推進(jìn)劑的運(yùn)載火箭，彰顯中國航天的社會責(zé)任，進(jìn)一步提高我國運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)能力和快速進(jìn)入空間的能力。

6 結(jié)束語

長征八號火箭作為一款國家立項(xiàng)的面向商業(yè)市場的運(yùn)載火箭，研制團(tuán)隊(duì)始終秉承“模塊化、組合化、系列化”的發(fā)展思路，突破了以發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)為代表的一系列關(guān)鍵技術(shù)，為我國重復(fù)使用運(yùn)載火箭研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，填補(bǔ)了我國新一代運(yùn)載火箭的能力空白。