智慧火箭邁出可回收技術(shù)驗(yàn)證第一步

文/ 任悅鳴 攝/ 宿東

2020 年12 月22 日，我國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征八號(hào)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)首飛成功，將5顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，有效填補(bǔ)我國(guó)太陽同步軌道運(yùn)載能力3噸到4.5 噸之間的空白，為我國(guó)未來中、低軌衛(wèi)星發(fā)射的迫切需求提供了新的解決方案，標(biāo)志著我國(guó)在新一代中型運(yùn)載火箭研制中取得了重大突破，對(duì)于完善我國(guó)運(yùn)載火箭型譜、提升進(jìn)入空間能力具有重大意義。

據(jù)長(zhǎng)征八號(hào)火箭總設(shè)計(jì)師宋征宇介紹，長(zhǎng)八火箭是一款在立項(xiàng)之初就按不同發(fā)射需求設(shè)計(jì)兩檔配置的智慧火箭，身懷“可重復(fù)使用技術(shù)”等獨(dú)門絕技，兼顧近地軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力，是未來我國(guó)商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)的主力軍。

長(zhǎng)征八號(hào)火箭在研制過程中，始終踐行深度融合的思路，簡(jiǎn)化火箭發(fā)射保障需求，做到了性價(jià)比優(yōu)、易用性好、安全性高。同時(shí)，長(zhǎng)征八號(hào)火箭充分吸收了現(xiàn)有火箭研制成果，具有良好的繼承性、經(jīng)濟(jì)性、先進(jìn)性和適應(yīng)性。

走出中國(guó)航天可回收技術(shù)驗(yàn)證第一步

火箭回收技術(shù)是近年來舉世矚目的“航天黑科技”，我國(guó)也針對(duì)火箭可重復(fù)使用技術(shù)展開了探索和研究，這一重任就落在了此次首飛的長(zhǎng)征八號(hào)運(yùn)載火箭身上。

長(zhǎng)八火箭在飛行中對(duì)液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行節(jié)流控制。宋征宇形象地比喻說，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的推力節(jié)流技術(shù)就像給汽車換擋一樣，在點(diǎn)火起飛時(shí)開足全力沖上去，在飛行過程中調(diào)節(jié)發(fā)動(dòng)機(jī)的推進(jìn)劑流量，以此來達(dá)到調(diào)整推力、控制速度等目的。宋征宇介紹，推進(jìn)劑節(jié)流技術(shù)可以對(duì)火箭進(jìn)行牽制釋放，不想讓它走的時(shí)候能拽得住，想讓它走的時(shí)候放得開，這樣才能在火箭返回時(shí)“收住油門”。

長(zhǎng)八火箭總指揮肖耘表示，火箭回收雖然在短期內(nèi)不會(huì)對(duì)GDP 產(chǎn)生巨大影響，但可重復(fù)使用技術(shù)是全世界運(yùn)載行業(yè)探索的新方向，“我們作為火箭研制總體單位，需要對(duì)新技術(shù)進(jìn)行嘗試?！毖兄茍F(tuán)隊(duì)第一次驗(yàn)證這項(xiàng)技術(shù)，做了大量的地面試驗(yàn)?！巴屏φ{(diào)節(jié)技術(shù)是火箭可重復(fù)使用的關(guān)鍵技術(shù)，必須掌握。”肖耘對(duì)這一技術(shù)志在必得，在他看來，研究過程中的攻關(guān)積累，一定會(huì)有助于其他高難度的技術(shù)突破，“長(zhǎng)征八號(hào)研制團(tuán)隊(duì)，有能力也有義務(wù)做火箭可重復(fù)使用的嘗試和研究”。

此前幾年，研制團(tuán)隊(duì)圍繞火箭一級(jí)回收開展技術(shù)嘗試，以垂直起飛和垂直降落為目標(biāo)，按步進(jìn)行火箭回收試驗(yàn)，目前，著陸緩沖機(jī)構(gòu)、低空低速的返回段制導(dǎo)、自主控制等回收技術(shù)均處于緊張的試驗(yàn)階段，預(yù)計(jì)在2021 年左右完成可回收關(guān)鍵技術(shù)的進(jìn)一步攻關(guān)。

有了這項(xiàng)技術(shù)后，還可以在點(diǎn)火起飛時(shí)讓發(fā)動(dòng)機(jī)先工作很短的時(shí)間，在正式起飛前對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行全覆蓋測(cè)試，一旦發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)故障，立刻節(jié)流控制，緊急叫停發(fā)射任務(wù)，避免后續(xù)損失。

這項(xiàng)技術(shù)的驗(yàn)證，為后續(xù)我國(guó)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(guó)重復(fù)使用運(yùn)載火箭研制打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)?！胺祷丶夹g(shù)是世界難題，也是中國(guó)航天人當(dāng)前的追求?！毙ぴ耪f，此次發(fā)射的組合型長(zhǎng)八火箭，走出中國(guó)航天可回收技術(shù)驗(yàn)證的第一步。

成為商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)主力軍

與其他型號(hào)不同的是，長(zhǎng)征八號(hào)火箭更多以市場(chǎng)需求為導(dǎo)向進(jìn)行研制，從能力指標(biāo)、經(jīng)濟(jì)性、可靠性等綜合考慮，實(shí)現(xiàn)工程研制的最優(yōu)。據(jù)長(zhǎng)八火箭副總指揮段保成介紹，長(zhǎng)八火箭在研制過程中踐行了低成本的思路，充分考慮了技術(shù)與經(jīng)濟(jì)的一體化，通過包括項(xiàng)目制、高繼承性的嘗試，實(shí)現(xiàn)火箭的成本有效控制，努力做到火箭研制和市場(chǎng)挖潛的“雙成功”。

長(zhǎng)八火箭立項(xiàng)之初，便被賦予了“打造一款經(jīng)濟(jì)、好用、可量化批產(chǎn)并具有國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力的火箭”的光榮使命。長(zhǎng)八火箭的主要運(yùn)載能力集中在太陽同步軌道，而這里恰好是商業(yè)航天發(fā)射需求最為旺盛的“黃金地段”。

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商業(yè)發(fā)射服務(wù)最主要的3 個(gè)需求，便是物美、價(jià)廉、快速。

長(zhǎng)八火箭繼承了已有型號(hào)的成熟模塊，可靠性設(shè)計(jì)考慮得更充分，宋征宇指出：“可靠是火箭的基礎(chǔ)，無論面對(duì)什么樣的用戶，都需要做到可靠，但提供商業(yè)發(fā)射服務(wù)的長(zhǎng)八火箭的可靠性，是基于成本考慮的?！彼寡?，不能將商業(yè)航天的可靠性和載人航天相比較，不過“未來長(zhǎng)征八號(hào)火箭可以對(duì)標(biāo)國(guó)際同行，經(jīng)濟(jì)性有可比性，可靠性更高”。

長(zhǎng)八火箭首飛試驗(yàn)隊(duì)將火箭材料的特性挖掘到極致，未來，箱體的人工成本和原材料成本可下降30%，達(dá)到經(jīng)濟(jì)性和運(yùn)載能力的平衡?！伴L(zhǎng)八火箭本身運(yùn)載能力達(dá)到5 噸級(jí)，而起飛規(guī)模為356 噸，運(yùn)載效率在國(guó)內(nèi)火箭中是名列前茅的。運(yùn)載能力的提升、成本的下降，必然會(huì)帶來很高的性價(jià)比?！倍伪３烧f。

長(zhǎng)八火箭通過“模塊化、系列化、組合化”研制理念以及全箭模態(tài)綜合技術(shù)等一系列方法，在保證產(chǎn)品可靠性的前提下，進(jìn)一步節(jié)省測(cè)發(fā)成本，縮短研制周期、履約周期和發(fā)射周期，預(yù)計(jì)未來可實(shí)現(xiàn)接單12 個(gè)月進(jìn)場(chǎng)，進(jìn)場(chǎng)10 天發(fā)射的快速服務(wù)能力，用最短時(shí)間、最少成本，打造出一款具有競(jìng)爭(zhēng)力的產(chǎn)品。

想要征戰(zhàn)商業(yè)航天市場(chǎng)，就必須是個(gè)多面手，長(zhǎng)八火箭不僅可以發(fā)射太陽同步軌道衛(wèi)星，還能兼顧近地軌道和地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力，使其具有更強(qiáng)的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

據(jù)宋征宇介紹，未來商業(yè)航天發(fā)射需求種類繁多，需求迫切?！靶l(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)星座、對(duì)地觀測(cè)衛(wèi)星星座都是長(zhǎng)八火箭主要用戶，高校和研究所也可以利用科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星開展試驗(yàn)，長(zhǎng)八火箭可為這些用戶提供常態(tài)化的搭載服務(wù)?！?/p>

多項(xiàng)技術(shù)讓智慧火箭更聰明

近年來，我國(guó)運(yùn)載火箭高密度發(fā)射已呈常態(tài)化，但飛行故障甚至飛行失利也偶有發(fā)生。如果火箭具備故障診斷和自主飛行能力，在發(fā)生故障時(shí)自主調(diào)整，飛行結(jié)果便能大幅改善。

之所以采用大靜不穩(wěn)火箭主動(dòng)減載控制技術(shù)，是因?yàn)榇舜伟l(fā)射的長(zhǎng)八火箭是組合型火箭，芯一級(jí)和助推器均采用長(zhǎng)征七號(hào)一級(jí)狀態(tài)，結(jié)構(gòu)非常強(qiáng)，而二子級(jí)采用長(zhǎng)三甲三子級(jí)，結(jié)構(gòu)相對(duì)比較輕薄，承載能力有限制。按照火箭的飛行軌道設(shè)計(jì)，火箭將在一、二級(jí)分離前通過南海上空稠密大氣層，西向的大風(fēng)將對(duì)火箭飛行形成垂直作用力。

“如果火箭在稠密大氣中仍保持高速飛行的狀態(tài)，輕則拉偏位移，影響入軌精度，重則導(dǎo)致火箭被大風(fēng)吹斷解體?！毙ぴ耪f。

因此，研制團(tuán)隊(duì)采用大靜不穩(wěn)火箭主動(dòng)減載控制技術(shù)，通過自適應(yīng)減載控制，將發(fā)動(dòng)機(jī)100% 的推力降到77.5%，提升了輕質(zhì)貯箱結(jié)構(gòu)對(duì)不確定風(fēng)場(chǎng)的適應(yīng)性，順利通過“危險(xiǎn)地帶”。

此次首飛成功的長(zhǎng)八火箭具備了滑行段飛行故障在線辨識(shí)的能力，能夠在特定故障工況下自主進(jìn)行姿態(tài)控制重構(gòu)，提升火箭飛行控制的適應(yīng)性和智能化水平?；鸺赏ㄟ^設(shè)計(jì)基于控制效果的噴管故障辨識(shí)和控制重構(gòu)算法，開展故障在線辨識(shí)，并根據(jù)故障辨識(shí)結(jié)果，進(jìn)行姿態(tài)控制重構(gòu)。

宋征宇告訴記者，假如火箭發(fā)現(xiàn)原有的目標(biāo)軌道已經(jīng)不可達(dá)了，就會(huì)自動(dòng)計(jì)算出一個(gè)臨時(shí)停泊軌道，進(jìn)行衛(wèi)星救援?！澳壳?，國(guó)際上明確提出這項(xiàng)技術(shù)的，只有我們長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭?！彼握饔钭院赖卣f，在各項(xiàng)新技術(shù)的加持下，長(zhǎng)八火箭變得更加智能了。

“融合型”的長(zhǎng)征八號(hào)值得期待

長(zhǎng)八火箭在設(shè)計(jì)之初就被分為“組合型”和“融合型”，一型火箭，兩檔配置的模式首次在長(zhǎng)征火箭中使用?！熬秃帽韧豢钇嚒⑹謾C(jī)也會(huì)有不同配置，滿足不同用戶的需求。”宋征宇形象地比喻。

此次發(fā)射的長(zhǎng)八火箭為“組合型”，具有繼承、簡(jiǎn)化、集中、共享等突出特點(diǎn)。后續(xù)，研制團(tuán)隊(duì)還將進(jìn)一步提升火箭性能，縮短研制和測(cè)發(fā)周期，發(fā)射更為先進(jìn)、更加經(jīng)濟(jì)的“融合型長(zhǎng)八火箭”。

雖然外形上一模一樣，但“融合型長(zhǎng)八火箭”將進(jìn)一步優(yōu)化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)電氣一體化、地面測(cè)發(fā)控一體化、結(jié)構(gòu)快捷制造、快速測(cè)發(fā)、無人值守等功能，并搭建新技術(shù)驗(yàn)證平臺(tái)，更適應(yīng)商業(yè)用戶的需求，成為一款集先進(jìn)性、安全性、高適應(yīng)性和強(qiáng)競(jìng)爭(zhēng)力于一身的新一代中型主力火箭。

“十四五”期間，我國(guó)將陸續(xù)淘汰以往使用常規(guī)推進(jìn)劑的火箭，長(zhǎng)八火箭或?qū)⒊袚?dān)起我國(guó)在太陽同步軌道發(fā)射主力軍的作用。

“技術(shù)的進(jìn)步勢(shì)不可擋，環(huán)保的要求也越來越高，傳統(tǒng)火箭在過去幾十年里，為中國(guó)航天事業(yè)的騰飛作出了不可替代的貢獻(xiàn)，但新一代運(yùn)載火箭的升級(jí)換代勢(shì)在必行?！彼握饔钫f，長(zhǎng)八火箭在其他型號(hào)的研制基礎(chǔ)上不斷集成創(chuàng)新，傳統(tǒng)火箭也可以長(zhǎng)八火箭首飛為契機(jī)，形成良性競(jìng)爭(zhēng)關(guān)系，共同推動(dòng)中國(guó)航天技術(shù)持續(xù)發(fā)展，為航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)貢獻(xiàn)力量。

未來，長(zhǎng)八火箭將按照“快速形成能力，迭代改進(jìn)提升競(jìng)爭(zhēng)力”的發(fā)展思路，形成不同運(yùn)載能力，實(shí)現(xiàn)系列化發(fā)展，并通過不斷迭代優(yōu)化，提升競(jìng)爭(zhēng)力，為我國(guó)后續(xù)衛(wèi)星組網(wǎng)工程建設(shè)、商業(yè)航天發(fā)射服務(wù)提供有力支撐。