快速研制一款全新組合型火箭
——長征八號火箭的研制理念與技術(shù)創(chuàng)新

文/ 任悅鳴

▲ 廠房里的長征八號運(yùn)載火箭 宿東攝

新一代運(yùn)載火箭長征八號首飛成功，與火箭一同騰空而起的除了5 顆衛(wèi)星之外，還有各項有待驗證的設(shè)計思路和創(chuàng)新技術(shù)。

長征八號不負(fù)眾望，首飛取得圓滿成功，不僅驗證了火箭總體方案設(shè)計的準(zhǔn)確性，還證實了基于“模塊化、系列化、組合化”研制理念的正確性，以及在國內(nèi)首次實踐的全箭模態(tài)綜合技術(shù)的可行性。

這些研制理念和技術(shù)的創(chuàng)新實踐，為我國后續(xù)新一代運(yùn)載火箭快速集成、快速形成能力、降低研制成本，進(jìn)一步提升我國運(yùn)載能力提供了科學(xué)依據(jù)。

▲ 長征五號B 運(yùn)載火箭

如何用最短時間研制一款新火箭

“長征八號運(yùn)載火箭工程從立項研制到首飛成功，僅用時3 年多時間，創(chuàng)造了中國運(yùn)載火箭研制時間最短的紀(jì)錄，這在我國火箭研制歷史上是不多見的。”長八火箭總設(shè)計師宋征宇介紹。

可以說，長八火箭之所以能在較短時間內(nèi)研制并首飛成功，正是得益于“模塊化、系列化、組合化”的研制理念和全箭模態(tài)綜合技術(shù)的運(yùn)用。

宋征宇用10 個字概括了長八火箭的特點，那便是“跨代融合、有內(nèi)涵、輕資產(chǎn)”，在他看來，突破基于模塊組合的快速集成設(shè)計，代表了航天技術(shù)發(fā)展的趨勢，是跨代融合的體現(xiàn)。

長八火箭首飛試驗隊顛覆傳統(tǒng)理念，打破以往每設(shè)計一款火箭就從頭出發(fā)的傳統(tǒng)思維，火箭設(shè)計師們以模塊化組合、產(chǎn)品化選用為原則，充分繼承在役火箭的共用技術(shù)和產(chǎn)品，借鑒已有的試驗驗證成果，深入貫徹共用產(chǎn)品使用思想，快速完成研制，踐行運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化發(fā)展思路，以最小代價、最短時間完成型號的集成研制。

長八火箭副總設(shè)計師吳義田告訴記者，“模塊化”是研制新一代運(yùn)載火箭時，針對不同軌道和不同運(yùn)載能力需求，把成熟的技術(shù)和產(chǎn)品繼承過來的研制思路，是研制優(yōu)化、高效精確的選擇。

站上“巨人兄弟”的肩膀

中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研制火箭的歷史已長達(dá)數(shù)十年之久，對新一代運(yùn)載火箭也有20 余年的研制經(jīng)驗，在航天事業(yè)飛速發(fā)展的環(huán)境中，不能每次遇到新型號都把所有的工序重新來過。

此前，在我國新一代運(yùn)載火箭的論證過程中，以液氧煤油和液氫液氧發(fā)動機(jī)為基礎(chǔ)，提出了新一代大、中、小型運(yùn)載火箭的發(fā)展構(gòu)想，并通過20 多年的預(yù)研和工程研制，成功研制了長征五號、長征七號等新一代運(yùn)載火箭，形成了2.25 米和3.35 米直徑通用模塊，為我國新一代運(yùn)載火箭“模塊化、系列化、組合化”發(fā)展奠定了基礎(chǔ)。

研制團(tuán)隊在論證過程中，從我國現(xiàn)有的火箭模塊里，進(jìn)行了幾百種搭配，不斷創(chuàng)新研制思路和方案，最終提出了現(xiàn)在的構(gòu)型，即長八火箭一子級狀態(tài)與長征七號火箭芯一級基本一致，二子級狀態(tài)與長三甲系列火箭三級基本一致。

長八火箭的產(chǎn)品化率達(dá)到了95%，將成熟模塊進(jìn)行匹配，用好各個產(chǎn)品，做到系統(tǒng)匹配、方案正確，是其成功的秘訣。

吳義田介紹，長七火箭經(jīng)過8 年研制，經(jīng)歷十分充足的地面驗證試驗和飛行試驗；長三甲系列火箭更是眾所周知的金牌火箭，經(jīng)歷過上百次飛行，技術(shù)非常成熟。將兩個成熟的模塊組合在一起，形成一款全新的產(chǎn)品，可以大幅節(jié)省研發(fā)的時間成本和經(jīng)濟(jì)成本。

長八火箭采用了液氧、煤油、液氫3 種推進(jìn)劑，在推進(jìn)劑的保障與控制上，長五火箭、長七火箭在文昌的發(fā)射經(jīng)驗可以適用于長八火箭。與此同時，長八火箭的電氣系統(tǒng)高度繼承了長七火箭，在地面設(shè)備上可以高度兼容，相應(yīng)的產(chǎn)品及測發(fā)經(jīng)驗可以很好地為長八火箭保駕護(hù)航。

從立項到首飛，長五火箭用了10年，長七火箭用了8 年，長八火箭在這兩位“兄長”堅實的肩膀上，僅用了3 年多時間。快速研制的實現(xiàn)，是中國航天技術(shù)60 多年自力更生發(fā)展的結(jié)果，也是新一代運(yùn)載火箭“模塊化、系列化、組合化”設(shè)計理念的具體實踐，它的成功，增添了中國航天快速設(shè)計全新組合型火箭的信心。

直面“搭積木”式造火箭帶來的挑戰(zhàn)

有些人乍一聽“模塊組合”，往往會聯(lián)想到兒時玩過的搭積木，誤以為是用現(xiàn)成的產(chǎn)品進(jìn)行簡單拼接。但事實上，每一款火箭都是系統(tǒng)工程，內(nèi)部的電氣系統(tǒng)、動力系統(tǒng)等都必須一一適配，并非搭積木那么簡單，在實際研制過程中也有很多新挑戰(zhàn)。

長八火箭總指揮肖耘告訴記者，以目前中國運(yùn)載火箭發(fā)展的速度和高度，很難有極具顛覆性的創(chuàng)新。“所以我們現(xiàn)在要重點圍繞集成創(chuàng)新下功夫，利用成熟模塊和產(chǎn)品，縮短研制周期、降低研制成本，不是將兩個產(chǎn)品簡單串聯(lián)在一起就可以，這個過程中，需要突破很多集成創(chuàng)新的關(guān)鍵技術(shù)。”肖耘說。

“新型號不可避免地會遇到新問題和新困難。”吳義田坦言，長八火箭采用的成熟模塊，原本的設(shè)計目標(biāo)都具有比較強(qiáng)的針對性，因此，在組合過程中會出現(xiàn)各種問題。

長八火箭的二級高度與長七火箭有所不同，需要對發(fā)射場進(jìn)行適當(dāng)改造，除此之外，長八火箭是首次在文昌進(jìn)行南射向的發(fā)射，整個發(fā)射過程的安全性控制需要重新制定方案。

吳義田進(jìn)一步解釋說，長七火箭是新一代火箭，長三甲是傳統(tǒng)火箭，兩種火箭要搭配相同的電氣系統(tǒng)進(jìn)行匹配。而且，長七火箭是以載人為可靠性標(biāo)準(zhǔn)，冗余程度比較高，作為未來商業(yè)火箭，長八火箭要在確保可靠的基礎(chǔ)上，盡可能地對冗余進(jìn)行減裁，實現(xiàn)接口的兼容，優(yōu)化成本。

長八火箭首飛試驗隊做了很多努力，認(rèn)真吃透各個環(huán)節(jié)的技術(shù)，摸透產(chǎn)品每一個細(xì)節(jié)，盡可能地了解各個組件的“脾氣秉性”。宋征宇指出，作為一款組合型火箭，拿到具備一定條件的成熟模塊后，研制團(tuán)隊要想方設(shè)法適應(yīng)它，并讓成熟模塊滿足新的飛行條件。

長八火箭從外形、硬件產(chǎn)品上看，都分別與另外兩款模塊基本一致，但它在彈道設(shè)計，飛行剖面設(shè)計以及飛行過程中的自主控制等方面，都進(jìn)行了一系列調(diào)整，找到了讓火箭飛行最為舒適的姿態(tài)，從而實現(xiàn)了這個組合體的創(chuàng)新集成設(shè)計，為模塊化研制探索了一條新路子。這些研制模式對于歷史悠久的中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院乃至航天產(chǎn)業(yè)而言，都是高效且經(jīng)濟(jì)的優(yōu)秀方案，為航天事業(yè)快速發(fā)展提供新思路。

▲ 長征七號運(yùn)載火箭

▲ 發(fā)射現(xiàn)場

不做全箭模態(tài)試驗也能成功首飛

全箭模態(tài)試驗是在首飛之前，按照首飛產(chǎn)品狀態(tài)打造出一款一模一樣的模態(tài)產(chǎn)品，且用于試驗的振動塔也要1：1 建造，獲取準(zhǔn)確的技術(shù)參數(shù)，驗證首飛產(chǎn)品的可靠性。

由于模態(tài)箭生產(chǎn)工程量巨大、周期長、制作費(fèi)用高昂，長八火箭首飛試驗隊在研制過程中，取消了全箭模態(tài)試驗，使長八火箭成為我國首個在研制中未開展全箭模態(tài)試驗的中大型火箭。

那么，不做模態(tài)試驗，火箭的可靠性又該如何保證呢？

原來，長八首飛試驗隊在已有模塊的試驗數(shù)據(jù)及動力學(xué)模型基礎(chǔ)上，通過全箭動力學(xué)模型組裝和數(shù)字仿真計算等方式，采用虛實結(jié)合的模態(tài)綜合分析技術(shù)，獲取全箭動特性數(shù)據(jù)。

模態(tài)綜合分析技術(shù)是以“模塊化”研制為基礎(chǔ)，各個模塊在相應(yīng)的型號研制試驗中，已積累了很多經(jīng)驗，可靠性很高，可直接獲取試驗數(shù)據(jù)。這樣一來，不僅減少了試驗測試的工作量，研制周期縮短近一年，還省了一發(fā)真火箭的成本，讓長征八號火箭真正做到降本增效，不僅有技術(shù)、有內(nèi)涵，而且輕資產(chǎn)、少負(fù)擔(dān)。

“取消首飛前的模態(tài)試驗是很多火箭產(chǎn)品共同的期望，希望能通過數(shù)字仿真技術(shù)，避免振動塔的建設(shè)。”肖耘指出。

作為第一次嘗試模態(tài)綜合技術(shù)的長八火箭首飛試驗隊，他們找了多家單位進(jìn)行仿真分析試驗，對結(jié)果差異點進(jìn)行仔細(xì)分析，一個個對比。“模態(tài)綜合分析技術(shù)驗證成功，可以消除設(shè)計人員的心理障礙。中國航天人已經(jīng)有能力通過仿真技術(shù)，實現(xiàn)全箭模態(tài)綜合分析，不再依賴以往的實物試驗了。”肖耘說。

長八火箭相關(guān)研制模式和技術(shù)的探索，為后續(xù)其他大型、重型運(yùn)載火箭快速、經(jīng)濟(jì)發(fā)展奠定了基礎(chǔ)，對中國航天未來火箭研制全流程提質(zhì)增效起到促進(jìn)作用，為我國航天事業(yè)高質(zhì)量、高效益、高效率發(fā)展添磚加瓦，進(jìn)一步加快航天強(qiáng)國建設(shè)速度。

▲ 長征三號乙運(yùn)載火箭

新模式讓長八火箭更從容

除了技術(shù)創(chuàng)新，長八火箭在研制流程、研制管理方面也做了大量的創(chuàng)新和突破。作為中國航天率先完全按項目制管理的宇航型號，長八火箭在設(shè)計理念、管理方式上，采取了許多創(chuàng)新性的措施和模式。

“在研制隊伍組織、研制經(jīng)費(fèi)管理、項目全壽命周期管理等方面，研制隊伍都進(jìn)行了大膽的嘗試和突破，為中國航天推進(jìn)項目制管理探索出了一條道路。”肖耘說。

為了避免型號隊伍在發(fā)射場發(fā)生低層次、重復(fù)性質(zhì)量問題，型號隊伍以“兩維度、四梳理、六模塊、八步驟”為指導(dǎo)思想，開展了發(fā)射場工作流程精細(xì)化設(shè)計及應(yīng)用實踐，并配套建設(shè)了發(fā)射場工作流程精細(xì)化設(shè)計及應(yīng)用平臺，將工作目標(biāo)分解細(xì)化和逐步落實，將籠統(tǒng)模糊的管理要求、個人技能和知識經(jīng)驗等分解轉(zhuǎn)化為一條條具體的、明確的、可檢可測、可落地的措施。

型號隊伍以數(shù)字化手段支撐發(fā)射場精細(xì)化工作流程的落地實施，打通了流程和崗位兩個維度，解決不同崗位人員在發(fā)射場工作的不同需求，實現(xiàn)了對發(fā)射場工作的全面精細(xì)化管理。

“把無序變?yōu)橛行颍褟?fù)雜變?yōu)楹唵危咽Э刈優(yōu)榭煽兀龅饺艘资虏灰住Ｍㄟ^制度和工具保障流程精細(xì)化設(shè)計成果和措施可有效落地，這樣才可以讓型號連續(xù)成功，在成功的模式中迭代前進(jìn)。”肖耘說。