新一代中型系列運(yùn)載火箭長征八號的發(fā)展及其關(guān)鍵技術(shù)

宋征宇，劉立東，陳曉飛，徐珊姝，吳義田

(1. 中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引 言

中國航天的可持續(xù)發(fā)展,需要研制與需求相匹配的運(yùn)載火箭。“十三五”初期,中國可執(zhí)行中低軌及太陽同步軌道(SSO)載荷的現(xiàn)役常規(guī)火箭有CZ-2系列、CZ-4系列等,僅能承擔(dān)1～3 t區(qū)間的發(fā)射任務(wù)。新一代火箭中只有CZ-11、CZ-6火箭覆蓋SSO軌道1 t以下的載荷,CZ-5、CZ-7火箭面向空間站及高軌衛(wèi)星發(fā)射任務(wù),導(dǎo)致在SSO領(lǐng)域1～5 t的能力區(qū)間存在空白,如圖1所示。

根據(jù)“十四五”預(yù)示,中低軌市場軍、民、商高密度組網(wǎng)等發(fā)射任務(wù)爆發(fā)式增長。其中,SSO軌道1～5 t的載荷需求占比高達(dá)73%,同時低軌組網(wǎng)、重大載荷、拼車發(fā)射等任務(wù)需求非常迫切,中低軌發(fā)射任務(wù)呈爆發(fā)式增長[1-2]。

圖1 中國新一代運(yùn)載火箭能力空白Fig.1 Performance gap within China’s next-generation launch vehicles

以中國SSO軌道任務(wù)為例,“十四五”期間的任務(wù)預(yù)示如圖2所示。

圖2 中國“十四五”期間SSO軌道任務(wù)預(yù)示Fig.2 The task foreshadowed for China’s SSO missions during the 14th Five-Year Plan period

針對上述需求,長征八號(CZ-8)運(yùn)載火箭定位為填補(bǔ)中國新一代運(yùn)載火箭700 km SSO 3～4.5 t衛(wèi)星發(fā)射的能力空白,兼顧近地軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力,同時面向商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場積極參與競爭。CZ-8及其無助推器構(gòu)型分別于2020年和2022年完成了首飛,逐漸成為新一代主力中型火箭。

本文介紹CZ-8系列運(yùn)載火箭的構(gòu)型及其技術(shù)特點,總結(jié)已突破的各項關(guān)鍵技術(shù)。在外部市場需求的驅(qū)動下,為進(jìn)一步提高CZ-8火箭的運(yùn)載能力和市場競爭力,縮短發(fā)射響應(yīng)時間,CZ-8正在開展改進(jìn)型的研制工作,同時配套的商業(yè)發(fā)射工位也在建設(shè)之中,本文對這一進(jìn)展及其關(guān)鍵技術(shù)也進(jìn)行了介紹。

1 CZ-8系列火箭的組成

CZ-8系列運(yùn)載火箭的研制按照“模塊化、通用化、系列化、產(chǎn)品化、商業(yè)化”的總體思路,首先研制CZ-8基本型火箭,迅速投向發(fā)射服務(wù)市場,填補(bǔ)運(yùn)載能力空白。在不增加研制內(nèi)容和經(jīng)費(fèi)的情況下,衍生出無助推器構(gòu)型,實現(xiàn)新一代運(yùn)載火箭SSO 3 t以下運(yùn)載能力的覆蓋[3-4]。為應(yīng)對更大運(yùn)載能力的需求,研制3.35 m通用氫氧末級[3]及5.2 m直徑整流罩,形成CZ-8改進(jìn)型火箭。整個系列構(gòu)型梯度合理、模塊通用強(qiáng)、性價比高。

1.1 CZ-8基本型火箭

長征八號基本型全箭總長約50.3 m,起飛質(zhì)量約358 t,起飛推力約480 t。700 km SSO運(yùn)載能力最大可達(dá)5.5 t,運(yùn)載效率為國內(nèi)同等級別火箭最高水平。在基本型火箭基礎(chǔ)上去掉兩個助推器,700 km SSO運(yùn)載能力約3 t。基本型兩種構(gòu)型的主要特點如圖3所示。

圖3 CZ-8基本型火箭(含無助推器構(gòu)型)Fig.3 Basic LM-8 configurations (including no-side-booster configuration)

兩型火箭可滿足中國航天后續(xù)90%以上的中低軌發(fā)射任務(wù)需求。

1.2 CZ-8改進(jìn)型火箭

CZ-8改進(jìn)型(CZ-8G)運(yùn)載火箭換裝通用氫氧末級和更大直徑的整流罩,可滿足有效載荷增重、使用包絡(luò)及入軌高度等要求,進(jìn)一步提升中低軌有效載荷發(fā)射能力,滿足中國未來通信、導(dǎo)航及遙感等低軌巨型星座組網(wǎng)發(fā)射的迫切需求。CZ-8基本型與改進(jìn)型的比對如圖4所示。

圖4 CZ-8改進(jìn)型與基礎(chǔ)型的對比Fig.4 Comparison of the upgraded version and the basic version of LM-8

CZ-8G同樣為兩級半火箭:芯一級為直徑3.35 m的液氧煤油推進(jìn)劑模塊,采用2臺YF-100發(fā)動機(jī),發(fā)動機(jī)具備推力調(diào)節(jié)能力,與CZ-8基本型相同;芯二級為新研的3.35 m直徑氫氧末級,采用2臺YF-75H發(fā)動機(jī);捆綁2個2.25 m直徑液體助推器,采用1臺YF-100發(fā)動機(jī),與CZ-8基本型狀態(tài)一致;采用5.2 m直徑整體吊整流罩。全箭總長約50.5 m,起飛質(zhì)量約371 t,起飛推力約480 t,700 km SSO任務(wù)運(yùn)載能力不低于6400 kg。

2 CZ-8基本型火箭關(guān)鍵技術(shù)

CZ-8基本型采用模塊化組合的研制理念,但模塊跨系列組合后面臨全剖面的適應(yīng)性問題,包括總體設(shè)計的適應(yīng)性、實時飛行的適應(yīng)性、地面設(shè)施的適應(yīng)性等。總體設(shè)計中,面臨低成本快速獲取全箭動特性的需求,同時深低溫模塊需適應(yīng)淺箱二次啟動的新剖面,面向市場需解決大量異構(gòu)衛(wèi)星的快速布局與安全性分析問題。實時飛行中,載荷條件超出模塊承載能力,如何有效降低載荷成為挑戰(zhàn)。而為解決發(fā)射工位短缺的瓶頸,需開展地面設(shè)施快速兼容性設(shè)計。綜上,解決了如下關(guān)鍵技術(shù)。

2.1 全箭模態(tài)虛實融合精細(xì)化預(yù)示技術(shù)

針對動特性低成本精準(zhǔn)量化需求,CZ-8取消了全箭模態(tài)試驗,提出基于連接剛度敏感度的模態(tài)分析、局部三維精細(xì)化建模的振型斜率預(yù)示等方法,解決動力學(xué)模型準(zhǔn)確性量化評估和試驗數(shù)據(jù)缺失下傳統(tǒng)梁模型難以預(yù)示局部振型斜率的難題[5-6]。全箭模態(tài)模型虛擬組裝采用“五步走”的工作流程,如圖5所示。

全箭動特性參數(shù)預(yù)示誤差小于2%,研制周期縮短12個月,并節(jié)省了大量的試驗經(jīng)費(fèi)。

準(zhǔn)確預(yù)測動力學(xué)模型由于無法應(yīng)對連接部位和界面的力學(xué)特性而受到阻礙[7],因此模態(tài)實驗曾被認(rèn)為是火箭研制過程中必不可少的重大試驗項目,歷史上未曾開展模態(tài)試驗的火箭均發(fā)生了重大故障[8]。CZ-8成為首個未開展全箭模態(tài)試驗并首飛成功的中型捆綁火箭,其第二次飛行在取消助推器和更換整流罩后,同樣采用了仿真預(yù)示的方法獲取動力學(xué)參數(shù)并飛行成功。上述實踐為重型運(yùn)載火箭、新一代載人登月等大型運(yùn)載火箭取消全箭模態(tài)試驗提供借鑒意義。

圖5 全箭模態(tài)虛實融合精細(xì)化預(yù)示技術(shù)Fig.5 Modal prediction technologies with virtual-real fusion

2.2 微重力下深冷推進(jìn)劑“剛體/兩相流體”耦合特性預(yù)示技術(shù)

CZ-8基本型的氫氧末級主要用于發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO),在面臨SSO發(fā)射任務(wù)的新飛行剖面時,需采用“末級滑行+二次短時工作”的模式以提高運(yùn)載能力,由此帶來大氣枕、微重力環(huán)境下深低溫推進(jìn)劑氣液兩相流場精確預(yù)示與控制的迫切需求。其中,發(fā)動機(jī)入口壓力需求高、補(bǔ)壓系統(tǒng)相對于大氣枕條件的增壓能力不足,對微重力下低溫貯箱壓力變化、推進(jìn)劑運(yùn)動特性的預(yù)示精度和控制均提出了更高要求,是決定發(fā)動機(jī)二次起動成敗的關(guān)鍵難題。

CZ-8攻克了“六自由度剛彈動力學(xué)-流體動力學(xué)”跨專業(yè)聯(lián)合貯箱壓力預(yù)示這一關(guān)鍵技術(shù),建立了跨專業(yè)聯(lián)合仿真平臺,如圖6所示[9]。本技術(shù)大幅降低深低溫推進(jìn)劑箱壓等指標(biāo)預(yù)示偏差,提高了微重力環(huán)境下低溫貯箱壓力設(shè)計水平,有效提升SSO運(yùn)載能力達(dá)10%。

圖6 多專業(yè)聯(lián)合貯箱壓力預(yù)示仿真Fig.6 Joint multi-disciplinary simulation of the tank pressure

2.3 異構(gòu)群星快速布局及近遠(yuǎn)場聯(lián)合仿真技術(shù)

隨著衛(wèi)星種類及數(shù)量的急劇增加,異構(gòu)衛(wèi)星如何布局、在狹小的空間下如何操作,已成為影響共享發(fā)射效率的重要因素。并且,衛(wèi)星數(shù)量大幅增多后,近遠(yuǎn)場分離安全性設(shè)計等涉及的優(yōu)化參數(shù)呈指數(shù)增長。CZ-8為了加快多星發(fā)射的論證實施過程,研制了上下游專業(yè)聯(lián)動設(shè)計的集成開發(fā)平臺。

該技術(shù)通過禁忌搜索與差分進(jìn)化相結(jié)合的降階優(yōu)化和智能算法,解決多源衛(wèi)星在復(fù)雜約束下快速布局與近場安全性的動靜聯(lián)合優(yōu)化問題,壓縮偏差傳遞帶來的設(shè)計余量30%。該技術(shù)將迭代速度由周級縮減至分鐘級,任務(wù)論證及產(chǎn)品響應(yīng)速度從18個月壓縮至3個月。

2.4 基于主動力調(diào)節(jié)的飛行剖面減載優(yōu)化方法

CZ-8通過模塊組合后發(fā)現(xiàn),其二級結(jié)構(gòu)的承載不能滿足飛行剖面的需求,特別是彎矩指標(biāo),已大于結(jié)構(gòu)的承受能力,如圖7所示。

圖7 彎矩載荷Fig.7 Bending moment load

CZ-8提出以箭體承載為約束、發(fā)射概率為目標(biāo)、多種載荷控制技術(shù)聯(lián)合為手段的逆向設(shè)計方法,將準(zhǔn)實時彈道風(fēng)修正、主動減載、載荷精細(xì)化等方法首次在液體火箭中集成應(yīng)用,減載效果達(dá)44.9%。有關(guān)此方面的詳細(xì)討論可參考文獻(xiàn)[10-12]。

2.5 基于流量調(diào)節(jié)的大推力液體發(fā)動機(jī)推力調(diào)節(jié)技術(shù)

為了減小飛行中的動壓,在大氣層內(nèi)飛行時采用了主動節(jié)流技術(shù),將發(fā)動機(jī)推力降低至75%。采用高精度流量調(diào)節(jié)器,通過步進(jìn)電機(jī)精確調(diào)節(jié)控制調(diào)節(jié)器流量實現(xiàn)發(fā)動機(jī)飛行中實時、精確大范圍連續(xù)推力調(diào)節(jié)[13-14]。

圖8 伺服機(jī)構(gòu)在推力調(diào)節(jié)過程中的工作情況Fig.8 Working conditions of the servo mechanism during throttling

2.6 強(qiáng)自主性的上升段飛行控制方法

CZ-8基本型火箭提出了一種跨滑行段的迭代制導(dǎo)控制方法:在二級一次飛行段以亞軌道為終端目標(biāo),在滑行段自主控制滑行時序,在二級二次飛行段以最終目標(biāo)軌道為終端目標(biāo)。首次實現(xiàn)了大氣層外“動力-滑行-動力”全程優(yōu)化,提升偏差適應(yīng)能力。

在CZ-8/Y2任務(wù)中提出了一種滑行段姿態(tài)變化率主動抑制的自主補(bǔ)償制導(dǎo)方法,其工作原理如圖9所示[16]。在二級一次關(guān)機(jī)前插入以主動力為控制力的姿態(tài)調(diào)整過程,滿足滑行起始時刻的姿態(tài)精度,并預(yù)測和補(bǔ)償由此帶來的關(guān)機(jī)狀態(tài)誤差。該方法降低了滑行段因晃動帶來的換熱換質(zhì)對箱壓和溫度的影響,支撐了淺箱啟動的設(shè)計。

圖9 考慮終端姿態(tài)約束的自主補(bǔ)償制導(dǎo)方法Fig.9 An autonomous compensation guidance method considering terminal attitude constraints

在二級二次飛行段提出了一種速度補(bǔ)償?shù)淖兡繕?biāo)解析制導(dǎo)方法,實時補(bǔ)償?shù)绦蚪瞧顚?dǎo)致的后效沖量偏差,并將其轉(zhuǎn)換為新的制導(dǎo)關(guān)機(jī)量,從而將制導(dǎo)終端目標(biāo)由關(guān)機(jī)點拓展至入軌點。該方法將半長軸偏差降低了一個數(shù)量級。

針對取消全箭模態(tài)試驗后箭體動力學(xué)特性可能存在較大偏差的可能性,提出了自適應(yīng)增廣控制方法,引入彈性能量在線獲取模塊,實時提取飛行中的彈性能量信號,設(shè)計自適應(yīng)律為彈性能量的函數(shù)。當(dāng)控制指令中含有較強(qiáng)的彈性運(yùn)動信息時,在線減小增益、調(diào)整網(wǎng)絡(luò)參數(shù)以增強(qiáng)濾波,減弱彈性振動影響[17]。其原理框圖如圖10所示。

圖10 彈性自適應(yīng)增廣控制Fig.10 Elastic adaptive augmented control

2.7 高可靠自主診斷和容錯控制技術(shù)

為降低成本簡化系統(tǒng)配置,CZ-8不再采用三冗余慣組配置,而是簡化為雙慣組,因此無法實現(xiàn)故障下的“三取二”表決。提出了利用GPS信息輔助以及滑行段基于哥氏加速度的故障診斷技術(shù),解決了慣性測量系統(tǒng)故障定位、隔離與系統(tǒng)重構(gòu)的難題。

針對速率陀螺振型斜率極性在飛行中隨著推進(jìn)劑消耗而反轉(zhuǎn)(受可安裝位置的限制)的問題,提出了基于在線加權(quán)融合的虛擬測量方法,確保振型斜率在飛行全程不變,實現(xiàn)一階彈性穩(wěn)定控制。

對于蛋雞料，適宜的粒度為7～18目。經(jīng)改進(jìn)后對輥粉碎機(jī)粉碎的玉米粒度(61.22±2.44)%遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于理想粒度的基本要求，而經(jīng)錘片粉碎機(jī)粉碎的玉米粒度在7～18目的比例平均僅達(dá)到(30.67±1.30)%，不能達(dá)到理想粒度的基本要求。因此，本試驗中，改良對輥粉碎機(jī)對玉米粒度有顯著影響，值得在飼料生產(chǎn)中推廣應(yīng)用。

針對姿控噴管極性錯誤(長征系列火箭曾經(jīng)發(fā)生的故障之一)引發(fā)的失利,提出了基于狀態(tài)觀測器辨識總力矩從而對極性錯誤進(jìn)行確認(rèn)和重構(gòu)的方法,可在極性故障下自主挽救任務(wù)。具備各控制通道噴管極性錯誤、安裝錯誤、軟件接口錯誤等故障情況下的應(yīng)急處理能力,提高了飛行可靠性和智能化水平。

更為詳細(xì)的討論可參考文獻(xiàn)[18]。

2.8 空間與結(jié)構(gòu)強(qiáng)約束下地面支持系統(tǒng)重構(gòu)優(yōu)化

CZ-8首次采用了模塊化“Z”字型擺桿結(jié)構(gòu),可根據(jù)不同型號需求進(jìn)行整體快速更換,解決了長軸聯(lián)動、大跨度異型擺桿快速擺開難題,達(dá)到了同一套擺桿系統(tǒng)適應(yīng)四型運(yùn)載火箭的使用要求。

基于結(jié)構(gòu)約束提出了倒“U”型低溫介質(zhì)加注管路布局方案,解決了在勢能快速變化的不利影響下低溫介質(zhì)流動多目標(biāo)調(diào)控與評估難題。

3 CZ-8改進(jìn)型的研制

改進(jìn)型火箭面臨運(yùn)載能力提升、整流罩尺寸增大、可靠性提升等需求,需將現(xiàn)有的3 m直徑氫氧末級升級為3.35 m直徑,并提升發(fā)動機(jī)性能,開展增壓、結(jié)構(gòu)、發(fā)動機(jī)、電氣等關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān),具體如下。

3.1 氫氧末級閉式增壓設(shè)計與驗證技術(shù)

目前現(xiàn)役火箭的氫氧末級氫箱均采用開式自生增壓方案,從發(fā)動機(jī)引出氫經(jīng)換熱器加溫后,通過自生增壓管進(jìn)入氫箱進(jìn)行增壓。飛行過程中氫箱壓力達(dá)到氫保險閥打開壓力時氫保險閥打開排氣,保證貯箱結(jié)構(gòu)安全。

開式自生增壓方案系統(tǒng)簡單、技術(shù)成熟,但存在保險閥關(guān)不上的成敗型單點失效環(huán)節(jié),對保險閥單機(jī)可靠性要求極高。開式自生增壓的增壓氣體利用效率較低,易造成工質(zhì)和能源的浪費(fèi),對提高運(yùn)載能力不利[19]。

為避免上述風(fēng)險以及提高推進(jìn)劑利用的效率,增壓輸送系統(tǒng)氫箱采用閉式自生增壓。根據(jù)設(shè)計方案并結(jié)合發(fā)動機(jī)端氣氫來流狀態(tài)和電磁閥動作特性,完成增壓電磁閥壓力帶精細(xì)化設(shè)計,驗證了閉式自生增壓設(shè)計方案的可靠性。

3.2 大直徑氫氧共底貯箱設(shè)計與制造技術(shù)

針對液氫/液氧介質(zhì)共底貯箱,目前中國僅有CZ-3A系列3 m直徑氫氧雙層蜂窩夾層真空共底的研制經(jīng)驗[20]。由于蜂窩夾層共底結(jié)構(gòu)為非完全密封的空腔,存在回吸空氣現(xiàn)象;若出現(xiàn)推進(jìn)劑緊急泄出情況,共底溫度回升會導(dǎo)致回吸的空氣膨脹,存在共底結(jié)構(gòu)受到破壞的風(fēng)險。CZ-8G氫氧末級共底貯箱擬采用PMI(Poly methacry limide)夾層共底結(jié)構(gòu)[21],可將旋壓金屬夾層空腔全部填充高密度PMI泡沫,在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度剛度的同時,無需靶場抽真空流程。

為了完成PMI夾層共底結(jié)構(gòu)設(shè)計,首先應(yīng)獲取PMI夾層的基礎(chǔ)力學(xué)性能和失效模式進(jìn)行綜合評估,以確定夾層共底是否滿足不同溫度工況下的內(nèi)壓、外壓載荷條件,并對共底進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計和有限元分析校核,同時針對連接結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。相關(guān)試驗及仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11 PMI夾層結(jié)構(gòu)彎曲試驗及仿真Fig.11 Bending test and simulation of PMI sandwich structure

3.3 發(fā)動機(jī)推力提升及驗證技術(shù)

為提高全箭的運(yùn)載能力,在保證工作可靠性的前提下,需在現(xiàn)有膨脹循環(huán)發(fā)動機(jī)YF-75D的基礎(chǔ)上將單機(jī)真空推力提升1 t[22]。這使得發(fā)動機(jī)組件壓力水平和渦輪泵轉(zhuǎn)速普遍升高,各組件需開展仿真分析及驗證試驗,并重新評估工作適應(yīng)性和工作裕度,必要時開展設(shè)計優(yōu)化改進(jìn)。

圖12 渦輪應(yīng)力云圖Fig.12 Stress nephogram of the turbo-pump

發(fā)動機(jī)渦輪泵轉(zhuǎn)速提升后,存在工作轉(zhuǎn)速與臨界轉(zhuǎn)速裕度不足的風(fēng)險[23]。通過開展臨界轉(zhuǎn)速影響因素分析并采取相應(yīng)措施,提升臨界轉(zhuǎn)速裕度。同時開展發(fā)動機(jī)整機(jī)拉偏試驗、整機(jī)級研制及鑒定試車、全系統(tǒng)試車等,確保發(fā)動機(jī)的適應(yīng)性并具有一定的工作裕度。

3.4 電靜壓伺服機(jī)構(gòu)設(shè)計與制造技術(shù)

與傳統(tǒng)電液伺服機(jī)構(gòu)相比,電靜壓伺服機(jī)構(gòu)(EHA)的元組件更少、配套簡化,取消了以伺服閥為主的復(fù)雜液壓元件,有利于滿足大批量生產(chǎn)、驗收、交付的需求。另外,電靜壓伺服機(jī)構(gòu)還具有使用維護(hù)便捷、重量輕的優(yōu)點。樣機(jī)如圖13所示。

圖13 雙余度電靜壓伺服系統(tǒng)樣機(jī)Fig.13 Prototype of the duplex EHA system

雙余度電靜壓伺服機(jī)構(gòu)采用高集成一體化的模塊化設(shè)計方案,實現(xiàn)了整體化自足式設(shè)計[24]。雙伺服電機(jī)泵并聯(lián)設(shè)計實現(xiàn)最大功率輸出,單伺服電機(jī)泵工作時亦可滿足基本搖擺功能需求,從而具備了一度故障容錯能力,具有較高的可靠性和安全性[25]。

3.5 VPX架構(gòu)測控與通信設(shè)計技術(shù)

VPX架構(gòu)測控與通信設(shè)計技術(shù)應(yīng)用于CZ-8G火箭測量系統(tǒng),按照功能集中式規(guī)劃、信息集中式管理、設(shè)備分布式組合的“集中-分布”式原則,實現(xiàn)統(tǒng)一數(shù)據(jù)傳輸與管理、統(tǒng)一供配電,完成遙測參數(shù)的采集、處理及傳輸功能。VPX架構(gòu)綜合電子技術(shù)通過統(tǒng)一化機(jī)械接口和電氣接口通用化設(shè)計,實現(xiàn)艙段級不同產(chǎn)品、不同功能模塊的高可重用性,形成標(biāo)準(zhǔn)化產(chǎn)品,縮減型號產(chǎn)品規(guī)模和數(shù)量,降低成本,適合大規(guī)模生產(chǎn)。

分布式模塊化綜合電子數(shù)據(jù)綜合技術(shù)具備任意功能模塊“即插即用”能力。全箭采用三級數(shù)據(jù)綜合方式,依次為模塊級數(shù)據(jù)綜合、單機(jī)級數(shù)據(jù)綜合、系統(tǒng)級數(shù)據(jù)綜合,逐級完成全箭分布式采集數(shù)據(jù)的匯集綜合處理,形成地基遙測和天基測控下行鏈路PCM數(shù)據(jù)流。系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計方案,集成了傳統(tǒng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備、變換設(shè)備、基帶設(shè)備等多個設(shè)備,將其以VPX背板的形式進(jìn)行集成化處理,替代傳統(tǒng)復(fù)雜的系統(tǒng)電纜網(wǎng)絡(luò)。典型的系統(tǒng)組成如圖14所示[26]。

圖14 綜合電子設(shè)備機(jī)箱三維爆炸圖Fig.14 Three-dimensional explosive view of the integrated electronic equipment

4 CZ-8系列火箭未來發(fā)展展望

CZ-8系列火箭通過持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和可靠性成果的工程應(yīng)用,提升火箭的綜合技術(shù)性能。后續(xù)結(jié)合商業(yè)發(fā)射工位的應(yīng)用,將開展快速測發(fā)、面向商業(yè)市場改進(jìn)等工作,進(jìn)一步提高火箭的市場競爭力。

4.1 改進(jìn)型“三垂”測發(fā)模式

CZ-8系列火箭在商業(yè)發(fā)射工位將采用改進(jìn)型三垂快速測發(fā)模式,既能滿足7～10天快速測發(fā)需求,也可與其他中型火箭(如CZ-7A等)實現(xiàn)兼容,增大了商業(yè)工位適應(yīng)不同火箭發(fā)射需求的能力。測發(fā)模式的示意如圖15所示。

該測發(fā)模式充分吸收“三垂”測發(fā)模式的優(yōu)點,縮減發(fā)射區(qū)的測試項目,并盡量保證了火箭在總測區(qū)和發(fā)射區(qū)的測試狀態(tài)基本一致。同時,吸收“一平兩垂”測發(fā)模式地面設(shè)備簡單和恢復(fù)周期短的優(yōu)點,采用公路運(yùn)輸車運(yùn)輸3個子級模塊,發(fā)射區(qū)建設(shè)固定勤務(wù)塔進(jìn)行吊裝。

圖15 改進(jìn)型“三垂”測發(fā)模式Fig.15 The improved launch mode of vertical assembly, test and transfer

火箭在總測區(qū)垂直狀態(tài)測試完成后,可以多發(fā)火箭垂直狀態(tài)存儲,處于“待發(fā)”狀態(tài),可隨時轉(zhuǎn)場至發(fā)射區(qū)進(jìn)行測試發(fā)射,實現(xiàn)轉(zhuǎn)場后快速發(fā)射,降低發(fā)射區(qū)建設(shè)規(guī)模,縮短發(fā)射準(zhǔn)備時間[27],進(jìn)一步提高了高密度發(fā)射和快速響應(yīng)發(fā)射的能力。

4.2 面向商業(yè)市場的設(shè)計方案

CZ-8在零組部件大規(guī)模高效生產(chǎn)的基礎(chǔ)上,將大力推進(jìn)脈動裝配生產(chǎn)線(Pulse assembly lines)。這也是復(fù)雜大型裝配提高效率和產(chǎn)品發(fā)展的必然趨勢。圖16是文昌總裝總測廠房年產(chǎn)50枚CZ-8運(yùn)載火箭的脈動生產(chǎn)線布局示意圖。

圖16 CZ-8系列火箭脈動生產(chǎn)線Fig.16 Pulse assembly lines of LM-8 family

在結(jié)構(gòu)設(shè)計和制造方面,新一代運(yùn)載火箭為追求性能極限,在貯箱筒段中均采用機(jī)械銑實現(xiàn)筒段壁板上網(wǎng)格加筋的精細(xì)化生產(chǎn),但加工周期較長、對設(shè)備要求高。如改用光筒殼方案,加工周期顯著縮短。箱底傳統(tǒng)上采用瓜瓣拼焊制造工藝,該工藝周期長、焊接要求高。如改用箱底整體成型工藝,產(chǎn)品一致性好,加工周期縮短近80%。

在綜合電子方面,通過電氣系統(tǒng)的功能融合和資源整合,可以進(jìn)一步降低產(chǎn)品成本。有關(guān)這方面的討論內(nèi)容可參考CZ-8融合型的設(shè)計方案[4,28]。

5 結(jié)束語

CZ-8基本型火箭在三年內(nèi)完成了研制,并圓滿實現(xiàn)了兩個構(gòu)型的首飛,成功將27顆民、商衛(wèi)星精確送入軌道。CZ-8火箭700 km太陽同步軌道運(yùn)載能力達(dá)5.5 t,改進(jìn)型的運(yùn)載能力不低于6.4 t,應(yīng)用前景廣闊,并具備太陽同步軌道、近地軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道、地月轉(zhuǎn)移軌道的發(fā)射能力,對中國空間基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)、滿足中低軌衛(wèi)星發(fā)射爆發(fā)式增長需求具有重要意義。以滿足CZ-8等中型運(yùn)載火箭發(fā)射低軌巨型星座為牽引,商業(yè)發(fā)射工位和火箭總裝脈動線等也開始建設(shè),開創(chuàng)了中國航天發(fā)展的新模式。CZ-8系列火箭將持續(xù)承擔(dān)以國家航天重大工程為代表的各類載荷發(fā)射任務(wù),支撐航天強(qiáng)國建設(shè)。