依托成熟技術(shù)，追求模式創(chuàng)新

　　通常而言，一款固體火箭型號(hào)從立項(xiàng)研發(fā)到實(shí)現(xiàn)首飛需要5-10年的時(shí)間，而“力箭一號(hào)”從2019年正式啟動(dòng)至2022年7月成功首飛僅用了3年多的時(shí)間。近日，“力箭一號(hào)”總體副總師史曉寧在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者專訪時(shí)表示，3年刷新中國(guó)之最的背后，是一條建立在中國(guó)成熟的航天工業(yè)基礎(chǔ)之上的創(chuàng)新思路。

　　《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者梳理后發(fā)現(xiàn)，此前已邁入成功發(fā)射“門(mén)檻”的國(guó)內(nèi)商業(yè)航天火箭多為固體火箭。許多國(guó)內(nèi)商業(yè)航天公司在制定發(fā)展規(guī)劃時(shí)，也將發(fā)展固體火箭列為“優(yōu)先項(xiàng)”，而此次“力箭一號(hào)”的首飛成功，則再一次凸顯了固體火箭在中國(guó)商業(yè)航天中的“主流地位”。

　　箭體直徑達(dá)2.65米的“力箭一號(hào)”的成功發(fā)射，進(jìn)一步將中國(guó)固體運(yùn)載火箭太陽(yáng)同步軌道的運(yùn)力提升至1.5噸，這一短期內(nèi)跨越式的發(fā)展，除了依托于我國(guó)成熟的固推技術(shù)之外，創(chuàng)新性的頂層設(shè)計(jì)也在火箭的研發(fā)進(jìn)程中起到了事半功倍的效果。

　　史曉寧介紹稱，商業(yè)航天鼓勵(lì)創(chuàng)新，現(xiàn)有商業(yè)固體火箭多是在成熟設(shè)計(jì)技術(shù)方案基礎(chǔ)上，追求箭上單機(jī)產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)?！傲惶?hào)”項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)則反其道行之，將創(chuàng)新的重點(diǎn)聚焦于火箭的總體設(shè)計(jì)，一改“總體設(shè)計(jì)統(tǒng)籌各分系統(tǒng)，再整合單機(jī)產(chǎn)品”的傳統(tǒng)研發(fā)思路，取消了各分系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了扁平化的管理。

　　以火箭的航電系統(tǒng)為例，“力箭一號(hào)”航電系統(tǒng)箭上核心單機(jī)采用綜合電子設(shè)計(jì)思想，實(shí)現(xiàn)了“單機(jī)功能化、功能模塊化、模塊通用化”。

　　“力箭一號(hào)”航電副總師朱永泉介紹稱，“我們?cè)O(shè)計(jì)的這套新型航電系統(tǒng)構(gòu)架，箭上和地面設(shè)備相對(duì)傳統(tǒng)型號(hào)數(shù)量分別減少50%和80%以上，使得‘力箭一號(hào)’具備高通用性、高經(jīng)濟(jì)性和強(qiáng)移植性的優(yōu)勢(shì)?！?/p>

　　據(jù)了解，在擁有目前國(guó)內(nèi)最大的固體運(yùn)載火箭總體優(yōu)化設(shè)計(jì)的成功經(jīng)驗(yàn)后，下一步中科宇航將繼續(xù)拓展和豐富中國(guó)固體運(yùn)載火箭的使用場(chǎng)景和譜系，除了將要建設(shè)“力箭一號(hào)”的海上發(fā)射平臺(tái)之外，一款直徑達(dá)3.5米的新型固體火箭正在研制當(dāng)中。史曉寧透露，這款固體火箭將對(duì)標(biāo)歐洲3.4米直徑的織女星-C火箭，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)將實(shí)現(xiàn)140噸裝藥，能將中國(guó)的固體運(yùn)載火箭太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力提升到兩噸以上。

　　此外，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)還計(jì)劃進(jìn)一步運(yùn)用集成化的思路，在“力箭一號(hào)”的基礎(chǔ)上捆綁三枚固體推進(jìn)器，研發(fā)我國(guó)首款全固體捆綁運(yùn)載火箭，進(jìn)一步在現(xiàn)有的型號(hào)基礎(chǔ)之上提升運(yùn)力，該型火箭未來(lái)還有望成為中國(guó)空間站貨運(yùn)飛船的運(yùn)載工具。

　　多項(xiàng)突破性技術(shù)應(yīng)用場(chǎng)景廣泛

　　相較于液體火箭，固體火箭的顯著優(yōu)勢(shì)在于快速響應(yīng)和無(wú)依托發(fā)射能力，劣勢(shì)則在于發(fā)動(dòng)機(jī)無(wú)法多次開(kāi)關(guān)機(jī)，入軌精度難以控制。在大噸位的“力箭一號(hào)”身上，固體火箭的優(yōu)勢(shì)得以保留，劣勢(shì)則因?yàn)楠?dú)創(chuàng)性的設(shè)計(jì)和技術(shù)得到了改進(jìn)。

　　“力箭一號(hào)”技術(shù)廠房準(zhǔn)備時(shí)間7天，轉(zhuǎn)運(yùn)至發(fā)射工位后5小時(shí)，具備發(fā)射條件。這種大噸位固體火箭快速響應(yīng)能力的背后，則是水平總裝、水平測(cè)試、水平轉(zhuǎn)運(yùn)和快速對(duì)接起豎“三平一豎”技術(shù)做支撐。

　　“力箭一號(hào)”發(fā)射支持副總師胡小偉在接受《環(huán)球時(shí)報(bào)》記者采訪時(shí)稱，此前國(guó)內(nèi)的固體運(yùn)載火箭起豎裝置多為整體剛性結(jié)構(gòu)，但對(duì)于“力箭一號(hào)”這樣的大載荷而言，這套結(jié)構(gòu)已不適用，為了論證非剛性起豎裝置的可行性，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)調(diào)研了國(guó)內(nèi)幾乎所有的大型機(jī)械制造和液壓系統(tǒng)生產(chǎn)廠商，得到的反饋都是這種非剛性起豎方案風(fēng)險(xiǎn)太大，但經(jīng)過(guò)團(tuán)隊(duì)科研人員大量的理論計(jì)算和分析卻發(fā)現(xiàn)這種方案是可行的?！坝谑俏覀儧Q定自己開(kāi)展攻關(guān)研究，解決了設(shè)計(jì)和工藝上的諸多問(wèn)題，現(xiàn)在這套系統(tǒng)不僅可以起豎130噸的‘力箭一號(hào)’，起豎重量達(dá)160噸-170噸的火箭都是沒(méi)有問(wèn)題的。”胡小偉透露，如果進(jìn)一步提高該裝置的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，還可以起豎規(guī)模更大的固體運(yùn)載火箭，這將極大拓展大噸位固體火箭的應(yīng)用場(chǎng)景。

　　此外，“力箭一號(hào)”的成功首飛還創(chuàng)下了大噸位固體運(yùn)載火箭高精度入軌的佳績(jī)，最終測(cè)定的衛(wèi)星入軌半長(zhǎng)軸與目標(biāo)軌道僅相差500米。在“力箭一號(hào)”飛控副總師廉潔看來(lái)，固體火箭能取得這一成績(jī)極為不易，“液體火箭可以通過(guò)多次開(kāi)關(guān)機(jī)實(shí)現(xiàn)高精度入軌，但固體火箭就像是一個(gè)‘炮仗’，一旦開(kāi)機(jī)，就需要等待發(fā)動(dòng)機(jī)耗盡關(guān)機(jī)，特別是‘力箭一號(hào)’的四級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)是目前國(guó)內(nèi)最大的末級(jí)固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，即便關(guān)機(jī)后，發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)生的‘后效力’依舊很大。為了保證精確入軌，只能通過(guò)一些主動(dòng)性的策略，提升火箭控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時(shí)讓火箭具備智慧飛行的能力，控制好能量的分配?！?/p>

　　相較于傳統(tǒng)火箭通過(guò)火工品實(shí)現(xiàn)級(jí)間分離，“力箭一號(hào)”創(chuàng)新性地使用了大推力、無(wú)污染的冷氣分離系統(tǒng)。承擔(dān)這一技術(shù)攻關(guān)任務(wù)的“力箭一號(hào)”結(jié)構(gòu)副總師張延瑞介紹稱，這套系統(tǒng)將壓縮冷氣作為“空氣彈簧”，利用冷氣推沖裝置提前充氣蓄能、級(jí)間解鎖時(shí)產(chǎn)生的大推力實(shí)現(xiàn)級(jí)間平穩(wěn)分離，同時(shí)，通過(guò)冷氣側(cè)推噴氣系統(tǒng)還可以將已分離的火箭級(jí)段推偏，以免發(fā)生碰撞。

　　“為了解決固體火箭耗盡關(guān)機(jī)也能實(shí)現(xiàn)精準(zhǔn)入軌的問(wèn)題，‘力箭一號(hào)’還將兩級(jí)能量管理的技術(shù)應(yīng)用于火箭控制，讓火箭在三級(jí)飛行段俯仰方向和四級(jí)飛行段偏航方向進(jìn)行自主機(jī)動(dòng)，這就像讓火箭在太空中‘跳了一支舞’，保證火箭在進(jìn)入預(yù)定軌道時(shí)將能量耗盡，從而達(dá)到高精度入軌的效果?！绷疂嵧嘎?，“力箭一號(hào)”在首飛中采用這種方式依次將六顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，星箭分離后僅僅幾十秒，六顆衛(wèi)星就已開(kāi)始正常工作，待到衛(wèi)星圍繞太陽(yáng)同步軌道完成第一圈飛行后，所有衛(wèi)星都傳回了首批數(shù)據(jù)。

　　發(fā)展可重復(fù)使用火箭勢(shì)在必行

　　從商業(yè)航天發(fā)展趨勢(shì)看，可重復(fù)使用技術(shù)是發(fā)展太空旅行必須突破的核心技術(shù)，這種前沿技術(shù)也是中科宇航研發(fā)團(tuán)隊(duì)下一步突破的重點(diǎn)。

　　在美國(guó)SpaceX公司已成熟運(yùn)用重復(fù)使用技術(shù)服務(wù)于商業(yè)航天后，中國(guó)航天何時(shí)掌握這種能力一直是公眾高度關(guān)心的話題。對(duì)此，張延瑞認(rèn)為，國(guó)內(nèi)目前已累積了實(shí)現(xiàn)火箭重復(fù)使用的相關(guān)技術(shù)能力，特別是對(duì)火箭回收相關(guān)算法的驗(yàn)證，以及對(duì)回收著陸方式的試驗(yàn)驗(yàn)證?！癝paceX公司是經(jīng)歷了很多次失敗才摸清楚這項(xiàng)技術(shù)的邊界條件，而我們進(jìn)行相關(guān)試驗(yàn)驗(yàn)證的次數(shù)有限，需要為回收技術(shù)試驗(yàn)創(chuàng)造一個(gè)寬松的環(huán)境和氛圍?！睆堁尤鸱Q。

　　史曉寧也認(rèn)為，對(duì)于可重復(fù)使用技術(shù)的掌握，需要重點(diǎn)攻關(guān)回收技術(shù)的算法，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的變推力能力和多次啟動(dòng)能力都需要進(jìn)行驗(yàn)證。

　　令人感到欣喜的是，今年5月，由中科宇航自主研發(fā)的“玄鳶一號(hào)”20噸級(jí)液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)圓滿完成長(zhǎng)程試車考核。該型發(fā)動(dòng)機(jī)具備60%到100%的推力調(diào)節(jié)能力和三次起動(dòng)能力，未來(lái)可作為中科宇航液體火箭、亞軌道飛行器等運(yùn)載器的主動(dòng)力，滿足可重復(fù)使用的需求。而在此次長(zhǎng)程試車中，“玄鳶一號(hào)”實(shí)現(xiàn)了三次連續(xù)不下臺(tái)整機(jī)點(diǎn)火試驗(yàn)，為掌握多次起動(dòng)技術(shù)積累了試驗(yàn)數(shù)據(jù)，為實(shí)現(xiàn)可重復(fù)使用技術(shù)提供了有力的技術(shù)支撐。

　　而在回收算法方面，中科院力學(xué)所也于去年進(jìn)行過(guò)火箭回收相關(guān)算法的驗(yàn)證，“當(dāng)時(shí)我們運(yùn)用一臺(tái)搭載渦噴發(fā)動(dòng)機(jī)的飛行器在山東海陽(yáng)做了一項(xiàng)回收試驗(yàn)，回收的精度非常高，飛行器著陸的地方離預(yù)定著陸點(diǎn)僅相差零點(diǎn)幾米。在今年或者明年我們還計(jì)劃從陸地發(fā)射大型飛行器，進(jìn)行海上回收的相關(guān)技術(shù)試驗(yàn)，進(jìn)一步驗(yàn)證相關(guān)算法?！笔窌詫幫嘎斗Q。

　　按照中科宇航的發(fā)展規(guī)劃，掌握了成熟的可重復(fù)使用技術(shù)之后，中科宇航將推出公眾可及的亞軌道太空旅游飛行器。該飛行器將采用單級(jí)火箭和旅游艙的組合形式，單次飛行可搭乘7名游客，在10分鐘飛行過(guò)程中，乘客將穿越100公里的卡門(mén)線，體驗(yàn)3分鐘擺脫地心引力的失重感，最后，旅游艙將通過(guò)傘降方式安全著陸。這款太空旅游飛行器的單級(jí)火箭的可重復(fù)使用次數(shù)將大于30次，單人單次票價(jià)約為200萬(wàn)-300萬(wàn)元人民幣。

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