長六改：我國首型固液捆綁式火箭

文/航箭

（感謝趙聰、李紅兵、李同等對本文的貢獻。除署名外，本文照片均為孫公明攝。）

3月29日17時50分，在太原衛星發射中心新建發射工位，長征六號改運載火箭首次點火起飛，順利將浦江二號衛星和天鯤二號衛星送入預定軌道。作為我國首型固液捆綁運載火箭，長征六號改火箭應用一系列新技術、新工藝，具備多重優勢，應用前景廣闊。

固液聯合優勢多

近年來，我國航天高密度發射已成為常態，亟需研制具備更大運載能力、更強任務適應性的運載火箭。而為搶占市場先機，盡快服役運載能力更強、可靠性更高、性價比更優的新一代中型火箭非常重要。

早在2010年初，長六改運載火箭已經正式啟動方案論證。2017年1月，長六改運載火箭的總體方案確定為兩級半構型、液體芯級捆綁固體推進器。2017年9月21日，長六改運載火箭順利通過由用戶組織的立項評審。2018年10月，長六改運載火箭正式立項。

▲ 長六改火箭發射瞬間 鄭斌 攝

據公開資料顯示，長征六號改運載火箭總長約50米，起飛重量約530噸，700千米太陽同步軌道運載能力不小于4噸。火箭芯一、二級直徑為3.35米，一級采用2臺120噸推力的YF-100液氧煤油發動機，二級采用1臺推力18噸的YF-115液氧煤油發動機。芯級捆綁了4臺2米直徑的助推器，每個助推器裝有1臺120噸推力的兩段式固體發動機。

其中，助推器的兩段式120噸推力固體發動機首次實現了型號工程化應用。這型捆綁了4個助推器的兩級半構型火箭，成為我國首型固液捆綁式運載火箭，4個助推器為全箭提供了近70%的推力。

動力系統的創新無疑是長征六號改運載火箭的最大看點，我國固體火箭動力技術的發展也給了運載火箭更多選擇空間。

通常來講，想研制同等級火箭發動機，固體火箭發動機結構簡單，可靠性高，發射前無須加注推進劑，使用維護簡便，易實現大推力，可長時間儲存，制造和測試成本更低。其中，固體火箭發動機助推器更容易靈活搭配出不同推力和不同運力的火箭。

但是，固體火箭發動機的比沖較低，導致“純粹”固體火箭的運載系數較低，發射質量偏大，過多的結構級數設計又提高了火箭的復雜度，降低了整體可靠性。同時，固體火箭發動機燃燒劇烈且無法中止，危險性較大。

而液體火箭發動機能盡量避免這些問題，不僅比固體火箭發動機擁有更佳的比沖性能，而且很多液體火箭發動機具備節流和重復啟動功能，更安全靈活。

鑒于固體火箭發動機和液體火箭發動機各有優勢，科研人員希望兩者“跨界合作”，使液體芯級+固體助推器的運載火箭匯集兩者之長，實現技術性與經濟性的完美結合。為此，長六改火箭突破了固體助推器捆綁與分離、捆綁點大集中力擴散、固液捆綁聯合搖擺控制等關鍵技術。依托太原衛星發射中心新建的發射工位，長六改火箭可實現14天快速發射，滿足中低軌道衛星高密度發射需求。

此外，長六改火箭采用模塊化、組合化、系列化發展途徑，通過助推器的調整，可形成單芯級、捆綁2臺固體助推器、捆綁4臺固體助推器、捆綁通用芯級等多種推力的構型，能像搭積木一樣靈活組合，實現性能和成本的平衡，滿足衛星多樣化的發射需求。

據悉，在長六改火箭論證初期，研制團隊針對不同的芯級級數、直徑、發動機臺數以及固體助推器數量、直徑、分段數等，開展了方案對比論證，組合出的火箭構型有近百種。

借助固體火箭發動機的優勢，長六改火箭的管路系統減少55%，可實現固體助推器在發射場直接安裝，助力火箭14天快速發射。目前，2米三段式、3米兩段式、3.2米三段式發動機均已試車成功，未來我國運載火箭領域動力系統會出現更多可能。

▲ 長六改火箭固體助推器特寫

▲ 吊裝中的長六改火箭分段

▲ 長六改火箭分段

“從頭到腳”創新不少

在長征六號改運載火箭上，工藝創新隨處可見。

隨著長六改火箭首飛成功，世界首個3.35米充液拉深超大超薄整體成形貯箱箱底也證明了可靠性。“超大+超薄”是它的顯著特性，直徑4.2米、厚度10毫米的鋁合金板通過充液拉深貯箱整體箱底成形技術制造后，箱底原本長達10米的焊縫消失得無影無蹤，并兼具強度、韌度等方面的優秀性能。

傳統火箭貯箱箱底是由一塊塊鋁合金板材拼裝、焊接而成的。為了能有更強的“鐵骨”、更輕的“體重”，工匠們通過充液拉深成形技術、“蛋殼雕花”的鏡像銑削技術、快速防腐技術等，提高了貯箱結構可靠性，使制造效率提升了60%以上。未來，該技術將全面應用于各種規格的火箭貯箱箱底生產制造中。

長六改火箭的整流罩是國內最大尺寸的4.2米全透波復合材料整流罩，應用了水平合罩的總裝技術、線性分離的解鎖方式，使得整流罩的透波性、解鎖可靠性得到了顯著提高。

據悉，長六改整流罩的全方向透波率達到了90%，不必再為每顆衛星定制專屬透波口，簡化了生產流程，減重30%左右。同時，復合材料的低熱導率讓整流罩在低溫環境下不必再使用傳統火箭所需的保溫層。

星箭成功分離，驗證了4.2米線性解鎖全復合材料衛星整流罩設計、工藝的可行性，體現了全復合材料整流罩質量輕、全透波的優勢。后續，火箭整流罩會加緊推進復合材料替代化工作，實現3.35米、3.8米、4.2米的整流罩產品統型化應用。

長六改火箭上，最關鍵的創新圍繞著發動機“做文章”。固體和液體兩種動力特性不同，很難做到完美契合，“馴服”兩者不僅僅是動力系統的任務，從總體到控制，再到多個分系統，均要為這一難題絞盡腦汁。

與常規的運載火箭不同，長六改火箭發射時，芯一級發動機先點火，4個固體發動機助推器再點火。為何要一先一后處理呢？根源在于發動機特性。固體火箭發動機雖然工作可靠、使用維護簡單，但“開弓便無回頭路”，一旦點火，將無法緊急關機；相反，火箭芯級采用的液體火箭發動機可以通過關閉閥門等手段及時叫停。

在不同發動機一先一后點火間隙，留出了0.3秒的寶貴時間，這0.3秒內要做一件事：完成芯一級動力系統的“健康診斷”。

設計師介紹，在芯級液體發動機點火后的2.5秒，健康診斷系統進入發動機診斷窗口。之后短短的0.3秒內，這位“健康管家”需要在前期收集的大量數據基礎上，對發動機的健康狀況進行診斷：若監測到發動機存在問題，要在須臾間完成故障發動機自動緊急關機，確保固體助推器不再執行點火程序；在確保芯級液體發動機“健康無虞”的前提下，固體助推器才執行點火程序。

“健康管家”同樣做足了功課。長六改火箭配置了3套相同的健康診斷系統，對芯級液體發動機狀態進行同時診斷，如果有2套及以上系統同時判斷故障存在，才會被認為是發動機故障。

設計師透露，在長六改火箭之前，國內尚無在火箭發射中應用發動機健康診斷系統的先例。此次發射任務成功，進一步驗證了健康診斷系統方案設計的正確性及工程應用的可靠性。

“固體發動機推力大，但存在推力全程不穩定的問題，不像液體發動機可以持續輸出一條平穩的直線。”控制系統副主任設計師胡存明介紹道，“而且捆綁在火箭4個方位的固體助推器點火后也做不到完全‘步調一致’，有的是‘急性子’，有的稍微慢一點，這會對火箭產生一定的翻轉力矩。”

為此，控制系統研制團隊對各類極限條件進行了全面的仿真與評估，將“液氧煤油發動機+液壓伺服機構”與“固體發動機+電動伺服機構”這種“跨界混搭”組合牢牢“拿捏”，確保火箭平穩飛行。

▲ 吊運火箭整流罩

▲ 長六改火箭工藝多處革新

▲ 火箭發射準備

▲ 火箭發射準備特寫

還有一個難題：受固體發動機熱流影響，芯一級發動機底部過熱，噴管熱工作環境嚴酷。為此，針對芯一級發動機在飛行過程中的結構熱適應性，團隊給液體發動機進行了專題仿真分析和復核復算，并利用試片完成了火箭分離噴流試驗考核。結果表明，芯一級發動機可以適應具備挑戰性的熱環境條件。

流程優化更智能

長六改火箭的一系列技術進步不是憑空得來的，科研人員為此付出了巨大努力，廣泛論證試驗，優化發射流程，從不同方面支持了長六改火箭終成正果。

全箭模態試驗是新型火箭首飛前必須經歷的大型地面試驗，主要目的是通過模擬火箭真實的飛行狀態，獲取火箭在特征工況下的振型、斜率參數，摸清火箭的結構動力學特性，為火箭的姿態控制系統設計提供一系列數據支撐。

由于長六改火箭應用了一系列新技術、新工藝，在模態試驗的組織策劃和實施上面臨著多重困難。

比如，裝滿固體燃料的助推器質量大，單個近70噸，創下了國內助推器吊裝紀錄。且助推與芯級的對接精度要求高，捆綁連接機構復雜，這都使得捆綁操作的難度堪比“穿針引線”。研制團隊優化操作流程，耗時6天，長六改運載火箭模態箭終于完成了4個滿藥助推與一子級的捆綁連接工作，首次實現了國內固體助推器與液體芯級箭體的捆綁。

我國首次在運載火箭上應用固液捆綁方案，多項新技術對發動機健康診斷系統提出挑戰。自2016年開始，型號團隊“白手起家”，多次同發動機研制單位展開技術協調，研究分析了上千條發動機試車數據。團隊先后6次奔赴西安參加真實的發動機試車，每次一待就接近1個月，以完美“戰績”實現了100%成功，系統可靠性得到充分驗證。經過反復優化的發動機健康診斷方案歷經2年多論證，終于獲得認可。

2021年2月，長六改運載火箭順利完成全箭15個工況的試驗工作，獲取到合理、可靠、足夠的火箭動力學特性，滿足了型號工程的研制需要，有力確保了后續任務的順利完成。

由于一系列優化措施，長六改火箭發射流程出現了較大變化。距離火箭起飛還有4個小時，發射塔架上已無人影。相比常規的運載火箭發射流程，這提前了約3.5小時。而當時在距塔架數千米外的測控發射大廳里，試驗隊員有序推進火箭發射前的各項加注及測試工作。

無人值守，這是長征六號改運載火箭給發射場帶來的改觀。與以往運載火箭發射不同，長六改火箭發射前，工作人員會早早撤離發射塔架，所有工作都會在測控發射大廳對火箭進行遠程控制。

對于液體火箭發動機來講，加泄連接器是火箭在加注/泄出推進劑時，箭上系統與地面支持系統的連接設備，堪稱“生命臍帶樞紐”。在常規的火箭發射流程中，加泄連接器一般由人工對接，自動脫落，費力費時。在長六改火箭任務中，芯一級的加泄連接器被升級為智能機械臂，實現了我國運載火箭的首次智能化對接加注。

人員撤離更早，如何確保火箭諸多連接器安全脫落？其實，長六改火箭的二級加泄連接器、衛星整流罩空調送風連接器均可“零秒脫落”，也就是在火箭起飛的瞬間脫落。

據長六改火箭副總設計師張亮介紹，通過“結構簡單、高可靠性的連接技術+多重冗余保障的分離方案+強制收回與捕獲系統”配合，確保了“零秒脫落”萬無一失，為發射前4小時全體工作人員從發射塔架撤離提供了保障。

運載火箭的能力有多大，航天的舞臺就有多大。長征六號改運載火箭首飛成功，一系列技術創新經受住考驗，還為技術應用拓展奠定了基礎，不僅有望贏得發射市場青睞，還將進一步提升我國進入空間的能力。