依托成熟技術，追求模式創新

　　通常而言，一款固體火箭型號從立項研發到實現首飛需要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基礎之上的創新思路。

　　《環球時報》記者梳理后發現，此前已邁入成功發射“門檻”的國內商業航天火箭多為固體火箭。許多國內商業航天公司在制定發展規劃時，也將發展固體火箭列為“優先項”，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，這一短期內跨越式的發展，除了依托于我國成熟的固推技術之外，創新性的頂層設計也在火箭的研發進程中起到了事半功倍的效果。

　　史曉寧介紹稱，商業航天鼓勵創新，現有商業固體火箭多是在成熟設計技術方案基礎上，追求箭上單機產品的創新研發。“力箭一號”項目團隊則反其道行之，將創新的重點聚焦于火箭的總體設計，一改“總體設計統籌各分系統，再整合單機產品”的傳統研發思路，取消了各分系統，實現了扁平化的管理。

　　以火箭的航電系統為例，“力箭一號”航電系統箭上核心單機采用綜合電子設計思想，實現了“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，“我們設計的這套新型航電系統構架，箭上和地面設備相對傳統型號數量分別減少50%和80%以上，使得‘力箭一號’具備高通用性、高經濟性和強移植性的優勢。”

　　據了解，在擁有目前國內最大的固體運載火箭總體優化設計的成功經驗后，下一步中科宇航將繼續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“力箭一號”的海上發射平臺之外，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，火箭發動機將實現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”的基礎上捆綁三枚固體推進器，研發我國首款全固體捆綁運載火箭，進一步在現有的型號基礎之上提升運力，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。

　　多項突破性技術應用場景廣泛

　　相較于液體火箭，固體火箭的顯著優勢在于快速響應和無依托發射能力，劣勢則在于發動機無法多次開關機，入軌精度難以控制。在大噸位的“力箭一號”身上，固體火箭的優勢得以保留，劣勢則因為獨創性的設計和技術得到了改進。

　　“力箭一號”技術廠房準備時間7天，轉運至發射工位后5小時，具備發射條件。這種大噸位固體火箭快速響應能力的背后，則是水平總裝、水平測試、水平轉運和快速對接起豎“三平一豎”技術做支撐。

　　“力箭一號”發射支持副總師胡小偉在接受《環球時報》記者采訪時稱，此前國內的固體運載火箭起豎裝置多為整體剛性結構，但對于“力箭一號”這樣的大載荷而言，這套結構已不適用，為了論證非剛性起豎裝置的可行性，項目團隊調研了國內幾乎所有的大型機械制造和液壓系統生產廠商，得到的反饋都是這種非剛性起豎方案風險太大，但經過團隊科研人員大量的理論計算和分析卻發現這種方案是可行的。“于是我們決定自己開展攻關研究，解決了設計和工藝上的諸多問題，現在這套系統不僅可以起豎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構強度，還可以起豎規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用場景。

　　此外，“力箭一號”的成功首飛還創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機實現高精度入軌，但固體火箭就像是一個‘炮仗’，一旦開機，就需要等待發動機耗盡關機，特別是‘力箭一號’的四級發動機是目前國內最大的末級固體火箭發動機，即便關機后，發動機產生的‘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。”

　　相較于傳統火箭通過火工品實現級間分離，“力箭一號”創新性地使用了大推力、無污染的冷氣分離系統。承擔這一技術攻關任務的“力箭一號”結構副總師張延瑞介紹稱，這套系統將壓縮冷氣作為“空氣彈簧”，利用冷氣推沖裝置提前充氣蓄能、級間解鎖時產生的大推力實現級間平穩分離，同時，通過冷氣側推噴氣系統還可以將已分離的火箭級段推偏，以免發生碰撞。

　　“為了解決固體火箭耗盡關機也能實現精準入軌的問題，‘力箭一號’還將兩級能量管理的技術應用于火箭控制，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星送入預定軌道，星箭分離后僅僅幾十秒，六顆衛星就已開始正常工作，待到衛星圍繞太陽同步軌道完成第一圈飛行后，所有衛星都傳回了首批數據。

　　發展可重復使用火箭勢在必行

　　從商業航天發展趨勢看，可重復使用技術是發展太空旅行必須突破的核心技術，這種前沿技術也是中科宇航研發團隊下一步突破的重點。

　　在美國SpaceX公司已成熟運用重復使用技術服務于商業航天后，中國航天何時掌握這種能力一直是公眾高度關心的話題。對此，張延瑞認為，國內目前已累積了實現火箭重復使用的相關技術能力，特別是對火箭回收相關算法的驗證，以及對回收著陸方式的試驗驗證。“SpaceX公司是經歷了很多次失敗才摸清楚這項技術的邊界條件，而我們進行相關試驗驗證的次數有限，需要為回收技術試驗創造一個寬松的環境和氛圍。”張延瑞稱。

　　史曉寧也認為，對于可重復使用技術的掌握，需要重點攻關回收技術的算法，包括發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的“玄鳶一號”20噸級液氧煤油火箭發動機圓滿完成長程試車考核。該型發動機具備60%到100%的推力調節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，滿足可重復使用的需求。而在此次長程試車中，“玄鳶一號”實現了三次連續不下臺整機點火試驗，為掌握多次起動技術積累了試驗數據，為實現可重復使用技術提供了有力的技術支撐。

　　而在回收算法方面，中科院力學所也于去年進行過火箭回收相關算法的驗證，“當時我們運用一臺搭載渦噴發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射大型飛行器，進行海上回收的相關技術試驗，進一步驗證相關算法。”史曉寧透露稱。

　　按照中科宇航的發展規劃，掌握了成熟的可重復使用技術之后，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使用次數將大于30次，單人單次票價約為200萬-300萬元人民幣。

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