“力箭”出鞘，直上九霄

付毅飛

在2月11日中國科學(xué)院頒布的年度系列獎項中，力箭一號運載火箭（以下簡稱力箭一號）研制團隊作為近5年內(nèi)完成重大成果的研究集體，獲得2022年“中國科學(xué)院年度團隊”稱號。

力箭一號于2022年7月27日成功首飛。這型由中國科學(xué)院力學(xué)研究所抓總、北京中科宇航技術(shù)有限公司參與研制的四級固體運載火箭，是我國當(dāng)前運載能力最強的固體運載火箭，在運載能力、入軌精度、性價比等方面邁入世界先進行列。

記者4月7日從北京中科宇航技術(shù)有限公司了解到，該火箭研制團隊突破了大噸位固體運載器總體優(yōu)化設(shè)計與試驗技術(shù)等多項重大關(guān)鍵技術(shù)，其中13項技術(shù)為國內(nèi)首次使用。而這支年輕的研制團隊，在一次次追求極致的過程中不斷成長，最終交出了完美的答卷。

力箭一號總體副總師史曉寧參與了火箭的全部研制工作。作為該火箭總體設(shè)計師，他的主要工作是解決各部分之間相容性的問題，讓各個系統(tǒng)、設(shè)備、軟件等都可以匹配、協(xié)同。

“在力箭一號的研制過程中，既要做到考慮全局，也要做到具體問題具體分析。”史曉寧說。

力箭一號的總體和單機產(chǎn)品技術(shù)攻關(guān)工作較多，很多單機產(chǎn)品在研制初期出現(xiàn)不滿足總體指標(biāo)要求的問題。

為了保證火箭飛行的可靠性，同時不降低運載系數(shù)等核心指標(biāo)，針對新研發(fā)的核心單機產(chǎn)品，史曉寧要求總體設(shè)計團隊和外協(xié)單位集智攻關(guān)、協(xié)同工作，改變傳統(tǒng)產(chǎn)品技術(shù)質(zhì)量把控模式，通過參數(shù)聯(lián)合設(shè)計、試驗工況優(yōu)化設(shè)置、強制檢驗點把控、聯(lián)合開展質(zhì)量問題歸零等多項措施，提高了研制效率，并實現(xiàn)了大量的技術(shù)創(chuàng)新。

史曉寧帶團隊成員將火箭傳統(tǒng)的“總體—分系統(tǒng)—單機”研制流程，優(yōu)化為總體面向單機的快速迭代研制模式，實現(xiàn)從各系統(tǒng)單專業(yè)“局部優(yōu)化”到總體方案“全局優(yōu)化”的轉(zhuǎn)變。

在該火箭的研制過程中，他們通過搭建總體協(xié)同設(shè)計平臺，淡化和虛化分系統(tǒng)的概念，面向單機開展多專業(yè)協(xié)同設(shè)計，為專業(yè)融合發(fā)展和新技術(shù)應(yīng)用創(chuàng)造了條件。最終，火箭運載系數(shù)達到1.12%，與國際先進水平比肩。

從立項、設(shè)計、試驗到發(fā)射，史曉寧全程參與。技術(shù)上的事，大大小小，他全裝在心里。“我就是憋著一股勁，要把這件事干成。”他說。

研制力箭一號期間，團隊成員實現(xiàn)了國內(nèi)首個固液融合低成本結(jié)構(gòu)設(shè)計，這是該火箭應(yīng)用的最關(guān)鍵、最具創(chuàng)新性的技術(shù)之一。

為了實現(xiàn)這一技術(shù)創(chuàng)新，力箭一號結(jié)構(gòu)副總師張延瑞帶領(lǐng)團隊成員克服了極大的困難。

力箭一號的直徑規(guī)模介于傳統(tǒng)固體火箭和液體火箭之間，而結(jié)構(gòu)形式的選取直接影響火箭的運載系數(shù)與承載能力。傳統(tǒng)固體火箭結(jié)構(gòu)部段一般為整體成型網(wǎng)格加筋結(jié)構(gòu)形式，其優(yōu)點是整體剛度較好，但缺點是結(jié)構(gòu)效率較低、成本偏高。液體火箭使用的蒙皮桁條結(jié)構(gòu)形式承載效率較高，但蒙皮厚度較薄，在飛行環(huán)境下會產(chǎn)生較大力學(xué)環(huán)境效應(yīng)，對電氣設(shè)備工作產(chǎn)生不利影響。

固液融合結(jié)構(gòu)，是在僅涉及承載功能的部段中使用蒙皮桁條結(jié)構(gòu)，在涉及承載和分離功能的部段中使用整體成型結(jié)構(gòu)，充分發(fā)揮兩種結(jié)構(gòu)各自的優(yōu)勢，在確保分離可靠性的同時減輕結(jié)構(gòu)重量、降低生產(chǎn)制造成本。

“固液融合結(jié)構(gòu)一方面通過優(yōu)化傳力路徑提高結(jié)構(gòu)部段承載可靠性，另一方面通過結(jié)構(gòu)拓撲優(yōu)化、提升結(jié)構(gòu)部段局部和整體剛度，大大改善了設(shè)備安裝處的力學(xué)環(huán)境，并成功通過了地面和飛行試驗考核。”張延瑞表示。

為了保證固液融合結(jié)構(gòu)設(shè)計方案的正確性，需要開展大量仿真分析和試驗驗證工作。

“航天事業(yè)的特殊性，要求我們必須全力以赴。”張延瑞說。

于是，他帶領(lǐng)結(jié)構(gòu)系統(tǒng)研制團隊成員不斷迭代改進方案，攻克了結(jié)構(gòu)設(shè)計、仿真分析、加工制造和試驗驗證中的重要關(guān)鍵技術(shù)，為固體火箭結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的創(chuàng)新發(fā)展提供了新思路。

每每談起力箭一號的航電系統(tǒng)，該火箭航電副總師朱永泉總是充滿驕傲。

傳統(tǒng)運載火箭航電系統(tǒng)包括控制系統(tǒng)和測量系統(tǒng)，兩個系統(tǒng)獨立研制，會帶來箭上設(shè)備數(shù)量多、接口復(fù)雜等問題。

力箭一號擁有國內(nèi)首個將測量和控制合二為一的航電系統(tǒng)：將測量核心計算機集成在綜合電子設(shè)備里，實現(xiàn)測量數(shù)據(jù)的傳輸和采集。這種合二為一的優(yōu)化整合，減少了箭上單機產(chǎn)品、釋放了載荷、降低了系統(tǒng)復(fù)雜性，為單機功能化、模塊化和軟件定義硬件提供了技術(shù)基礎(chǔ)。

在研制初期，朱永泉帶領(lǐng)團隊成員對綜合電子技術(shù)開展了深入調(diào)研，決定采用符合VPX標(biāo)準(zhǔn)的單機架構(gòu)，隨后研制了CPU模塊、電源模塊、配電模塊、時序輸出模塊、數(shù)據(jù)綜合模塊等8種通用板卡。

“結(jié)合系統(tǒng)需求將8種板卡進行組合，就能形成飛行控制組合、智能測控組合、二級一體化組合、數(shù)據(jù)采編組合等系列化綜合電子產(chǎn)品。”朱永泉說。

研制航電系統(tǒng)，需要開展大量綜合試驗。朱永泉帶領(lǐng)團隊成員歷時10個月，開展了一系列試驗工作。從初步分析到后期驗證，他們逐一解決各項難題，最終充分驗證了系統(tǒng)設(shè)計的正確性、功能性和穩(wěn)定性。

力箭一號發(fā)射場具備發(fā)射區(qū)全箭環(huán)境保障及發(fā)射設(shè)備長期存放環(huán)境保障功能，能夠大幅節(jié)約地面保障設(shè)備經(jīng)費。

該發(fā)射場是力箭一號發(fā)射支持副總師胡小偉和團隊的設(shè)計成果。

設(shè)計之初，胡小偉就立下了軍令狀，“要在茫茫戈壁灘上干出一番事業(yè)”。

在胡小偉的帶領(lǐng)下，該小組成員用不到兩年的時間就攻克了多油缸起豎載荷同步和工藝實現(xiàn)難題，完成了135噸火箭起豎試驗的驗證工作。

“關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)和突破，降低了固體運載火箭的發(fā)射保障條件，提升了其響應(yīng)速度，為我國的固體運載火箭技術(shù)達到世界最強水平提供了重要支撐。”北京中科宇航技術(shù)有限公司副總裁諸方舟說。

“是同事支持了我，是組織培養(yǎng)了我，是事業(yè)激勵了我，全力以赴就是為了對得起自己的追求，對得起祖國對我的教育和培養(yǎng)。”面對上級的肯定和同志們的贊揚，胡小偉總是這樣說。

未來，這支年輕的隊伍將以堅定的意志、高昂的熱情投入到每次火箭研制任務(wù)中，把中華民族探索太空之夢延伸得更遠，為建設(shè)航天強國、科技強國、質(zhì)量強國作出新的更大的貢獻。