依托成熟技術(shù)，追求模式創(chuàng)新
通常而言，一款固體火箭型號從立項研發(fā)到實現(xiàn)首飛需要5-10年的時間，而“力箭一號”從2019年正式啟動至2022年7月成功首飛僅用了3年多的時間。近日，“力箭一號”總體副總師史曉寧在接受《環(huán)球時報》記者專訪時表示，3年刷新中國之最的背后，是一條建立在中國成熟的航天工業(yè)基礎(chǔ)之上的創(chuàng)新思路。
《環(huán)球時報》記者梳理后發(fā)現(xiàn)，此前已邁入成功發(fā)射“門檻”的國內(nèi)商業(yè)航天火箭多為固體火箭。許多國內(nèi)商業(yè)航天公司在制定發(fā)展規(guī)劃時，也將發(fā)展固體火箭列為“優(yōu)先項”，而此次“力箭一號”的首飛成功，則再一次凸顯了固體火箭在中國商業(yè)航天中的“主流地位”。
箭體直徑達2.65米的“力箭一號”的成功發(fā)射，進一步將中國固體運載火箭太陽同步軌道的運力提升至1.5噸，這一短期內(nèi)跨越式的發(fā)展，除了依托于我國成熟的固推技術(shù)之外，創(chuàng)新性的頂層設(shè)計也在火箭的研發(fā)進程中起到了事半功倍的效果。
史曉寧介紹稱，商業(yè)航天鼓勵創(chuàng)新，現(xiàn)有商業(yè)固體火箭多是在成熟設(shè)計技術(shù)方案基礎(chǔ)上，追求箭上單機產(chǎn)品的創(chuàng)新研發(fā)。“力箭一號”項目團隊則反其道行之，將創(chuàng)新的重點聚焦于火箭的總體設(shè)計，一改“總體設(shè)計統(tǒng)籌各分系統(tǒng)，再整合單機產(chǎn)品”的傳統(tǒng)研發(fā)思路，取消了各分系統(tǒng)，實現(xiàn)了扁平化的管理。
以火箭的航電系統(tǒng)為例，“力箭一號”航電系統(tǒng)箭上核心單機采用綜合電子設(shè)計思想，實現(xiàn)了“單機功能化、功能模塊化、模塊通用化”。
“力箭一號”航電副總師朱永泉介紹稱，“我們設(shè)計的這套新型航電系統(tǒng)構(gòu)架，箭上和地面設(shè)備相對傳統(tǒng)型號數(shù)量分別減少50%和80%以上，使得‘力箭一號’具備高通用性、高經(jīng)濟性和強移植性的優(yōu)勢。”
據(jù)了解，在擁有目前國內(nèi)最大的固體運載火箭總體優(yōu)化設(shè)計的成功經(jīng)驗后，下一步中科宇航將繼續(xù)拓展和豐富中國固體運載火箭的使用場景和譜系，除了將要建設(shè)“力箭一號”的海上發(fā)射平臺之外，一款直徑達3.5米的新型固體火箭正在研制當(dāng)中。史曉寧透露，這款固體火箭將對標歐洲3.4米直徑的織女星-C火箭，火箭發(fā)動機將實現(xiàn)140噸裝藥，能將中國的固體運載火箭太陽同步軌道運載能力提升到兩噸以上。
此外，項目團隊還計劃進一步運用集成化的思路，在“力箭一號”的基礎(chǔ)上捆綁三枚固體推進器，研發(fā)我國首款全固體捆綁運載火箭，進一步在現(xiàn)有的型號基礎(chǔ)之上提升運力，該型火箭未來還有望成為中國空間站貨運飛船的運載工具。
多項突破性技術(shù)應(yīng)用場景廣泛
相較于液體火箭，固體火箭的顯著優(yōu)勢在于快速響應(yīng)和無依托發(fā)射能力，劣勢則在于發(fā)動機無法多次開關(guān)機，入軌精度難以控制。在大噸位的“力箭一號”身上，固體火箭的優(yōu)勢得以保留，劣勢則因為獨創(chuàng)性的設(shè)計和技術(shù)得到了改進。
“力箭一號”技術(shù)廠房準備時間7天，轉(zhuǎn)運至發(fā)射工位后5小時，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、水平測試、水平轉(zhuǎn)運和快速對接起豎“三平一豎”技術(shù)做支撐。
“力箭一號”發(fā)射支持副總師胡小偉在接受《環(huán)球時報》記者采訪時稱，此前國內(nèi)的固體運載火箭起豎裝置多為整體剛性結(jié)構(gòu)，但對于“力箭一號”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，項目團隊調(diào)研了國內(nèi)幾乎所有的大型機械制造和液壓系統(tǒng)生產(chǎn)廠商，得到的反饋都是這種非剛性起豎方案風(fēng)險太大，但經(jīng)過團隊科研人員大量的理論計算和分析卻發(fā)現(xiàn)這種方案是可行的。“于是我們決定自己開展攻關(guān)研究，解決了設(shè)計和工藝上的諸多問題，現(xiàn)在這套系統(tǒng)不僅可以起豎130噸的‘力箭一號’，起豎重量達160噸-170噸的火箭都是沒有問題的。”胡小偉透露，如果進一步提高該裝置的結(jié)構(gòu)強度，還可以起豎規(guī)模更大的固體運載火箭，這將極大拓展大噸位固體火箭的應(yīng)用場景。
此外，“力箭一號”的成功首飛還創(chuàng)下了大噸位固體運載火箭高精度入軌的佳績，最終測定的衛(wèi)星入軌半長軸與目標軌道僅相差500米。在“力箭一號”飛控副總師廉潔看來，固體火箭能取得這一成績極為不易，“液體火箭可以通過多次開關(guān)機實現(xiàn)高精度入軌，但固體火箭就像是一個‘炮仗’，一旦開機，就需要等待發(fā)動機耗盡關(guān)機，特別是‘力箭一號’的四級發(fā)動機是目前國內(nèi)最大的末級固體火箭發(fā)動機，即便關(guān)機后，發(fā)動機產(chǎn)生的‘后效力’依舊很大。為了保證精確入軌，只能通過一些主動性的策略，提升火箭控制系統(tǒng)的安全性和可靠性，同時讓火箭具備智慧飛行的能力，控制好能量的分配。”
相較于傳統(tǒng)火箭通過火工品實現(xiàn)級間分離，“力箭一號”創(chuàng)新性地使用了大推力、無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”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、級間解鎖時產(chǎn)生的大推力實現(xiàn)級間平穩(wěn)分離，同時，通過冷氣側(cè)推噴氣系統(tǒng)還可以將已分離的火箭級段推偏，以免發(fā)生碰撞。
“為了解決固體火箭耗盡關(guān)機也能實現(xiàn)精準入軌的問題，‘力箭一號’還將兩級能量管理的技術(shù)應(yīng)用于火箭控制，讓火箭在三級飛行段俯仰方向和四級飛行段偏航方向進行自主機動，這就像讓火箭在太空中‘跳了一支舞’，保證火箭在進入預(yù)定軌道時將能量耗盡，從而達到高精度入軌的效果。”廉潔透露，“力箭一號”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)星就已開始正常工作，待到衛(wèi)星圍繞太陽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)使用火箭勢在必行
從商業(yè)航天發(fā)展趨勢看，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)團隊下一步突破的重點。
在美國SpaceX公司已成熟運用重復(fù)使用技術(shù)服務(wù)于商業(yè)航天后，中國航天何時掌握這種能力一直是公眾高度關(guān)心的話題。對此，張延瑞認為，國內(nèi)目前已累積了實現(xiàn)火箭重復(fù)使用的相關(guān)技術(shù)能力，特別是對火箭回收相關(guān)算法的驗證，以及對回收著陸方式的試驗驗證。“SpaceX公司是經(jīng)歷了很多次失敗才摸清楚這項技術(shù)的邊界條件，而我們進行相關(guān)試驗驗證的次數(shù)有限，需要為回收技術(shù)試驗創(chuàng)造一個寬松的環(huán)境和氛圍。”張延瑞稱。
史曉寧也認為，對于可重復(fù)使用技術(shù)的掌握，需要重點攻關(guān)回收技術(shù)的算法，包括發(fā)動機的變推力能力和多次啟動能力都需要進行驗證。
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”20噸級液氧煤油火箭發(fā)動機圓滿完成長程試車考核。該型發(fā)動機具備60%到100%的推力調(diào)節(jié)能力和三次起動能力，未來可作為中科宇航液體火箭、亞軌道飛行器等運載器的主動力，滿足可重復(fù)使用的需求。而在此次長程試車中，“玄鳶一號”實現(xiàn)了三次連續(xù)不下臺整機點火試驗，為掌握多次起動技術(shù)積累了試驗數(shù)據(jù)，為實現(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)所也于去年進行過火箭回收相關(guān)算法的驗證，“當(dāng)時我們運用一臺搭載渦噴發(fā)動機的飛行器在山東海陽做了一項回收試驗，回收的精度非常高，飛行器著陸的地方離預(yù)定著陸點僅相差零點幾米。在今年或者明年我們還計劃從陸地發(fā)射大型飛行器，進行海上回收的相關(guān)技術(shù)試驗，進一步驗證相關(guān)算法。”史曉寧透露稱。
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分鐘飛行過程中，乘客將穿越100公里的卡門線，體驗3分鐘擺脫地心引力的失重感，最后，旅游艙將通過傘降方式安全著陸。這款太空旅游飛行器的單級火箭的可重復(fù)使用次數(shù)將大于30次，單人單次票價約為200萬-300萬元人民幣。
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