首飞成功的我国新型火箭长征-6别开生面

2015-12-18宗河

国际太空 2015年10期

首飞成功的我国新型火箭长征-6别开生面

China’s Novel CZ-6 Rocket Made Successful Maiden Launch

“长征”家族添新丁“一箭多星”创纪录

编者按：当今世界，微小卫星蓬勃发展，“一箭多星”发射为微小卫星提供了低成本进入太空的机会。伴随着微小卫星技术的快速发展，“一箭多星”发射任务的需求越来越多。2015年9月20日－10月7日，我国共进行了3次“一箭多星”发射，共计成功将28颗微小卫星送入太空。其中，新型液体火箭长征－6以“一箭二十星”的方式一举成功将20颗微小卫星送入预定轨道，不仅开创了我国“一箭多星”发射的新纪录，也打破了由印度保持的亚洲“一箭多星”发射纪录；执行“一箭四星”发射任务的新型固体运载火箭长征－11也成功实现首飞。以“一箭四星”方式成功入轨的吉林－1卫星组星是我国首批自主研制的商业遥感卫星。

藉此之际，本刊特推出“新型火箭‘一箭多星’发射与微小卫星发展”专题，以飨读者。

2015年9月20日，我国在太原卫星发射中心用全新研制的长征－6运载火箭成功将20颗卫星送入预定轨道。这不仅标志着我国“长征”系列运载火箭家族再添新成员，而且开创了我国“一箭多星”发射的新纪录。

长征－6是三级液体运载火箭，主要用于满足微小卫星发射需求，其研制成功对于完善我国运载火箭型谱、提高火箭发射安全环保性、提升进入空间能力具有重要意义。

本次发射的卫星分别由中国航天科技集团公司所属航天东方红卫星有限公司和深圳航天东方红海特卫星有限公司，以及国防科学技术大学、清华大学、浙江大学和哈尔滨工业大学等单位研制，创造了国内单次发射卫星数量之最。为了满足“一箭多星”发射任务要求，各方开展了多轮次的论证和数学仿真，并探索系列化、标准化多星发射接口，为后续单发火箭进行更多数量卫星发射奠定了技术基础。

1　创新多多

此次发射的长征－6是我国新一代运载火箭，它不但提高了我国空间进入能力，实现了运载技术跨越式发展，缩小了与世界先进国家差距，还实现了我国在大推力、高可靠性、高适应性、低成本运载火箭领域的关键技术突破，对我国运载火箭后续发展具有里程碑意义。

此次发射的是长征－6系列运载火箭的基本型，主要用于满足微小卫星发射需求。火箭全长29m，可将1t的有效载荷发射到700km高的太阳同步轨道,其发射成功为我国后续新型捆绑式运载火箭发展奠定了基础。

长征－6由中国航天科技集团公司上海航天技术研究院抓总研制，于2009年8月正式批复立项，采用了全新的总体方案、结构形式、动力系统和电气系统，自主创新成果达几十项。其发射可靠性提高到0.98，达到国际先进水平。

该火箭首次采用高压补燃循环液氧/煤油发动机和“三平”测发模式，成功突破了高精度控制技术、氧箱自增压技术、燃气滚控技术、箭地一体化快速测发技术等一系列关键技术，并按照“通用化、组合化、系列化”的设计思路，可进一步提高运载能力，有效提高国际商业发射市场竞争力，标志着我国在运载火箭现代化、模块化方面迈出了坚实一步。

绿色环保：开启火箭新征程

近年来，世界各国都加大了对新型运载火箭研制的力度，大直径、大运载能力、低成本、高可靠、无污染和易操作等成为后续运载火箭发展的趋势。但同时受越来越旺盛的微小卫星发射需求的牵引，发展经济、灵活、便捷的小型运载火箭，适应国际商业发射需求，也成为一种发展趋势，长征－6由此应运而生。

作为我国新一代运载火箭中第一型投入发射应用的火箭，长征－6首次采用了我国最新研制的高压、大推力、无毒无污染的补燃循环液氧/煤油发动机。其第一级直径为3.35m，采用单台最大推力为120t的液氧/煤油发动机，第二、三级直径均为2.25m，分别采用一台液氧/煤油发动机和一台常规推进剂发动机。

为了获得更大的运载能力，长征－6采用了一系列全新的设计方案，其中的最大亮点是采用了独特的发动机氧箱自生增压技术。在火箭飞行中，需要不断对发动机氧箱进行增压。如果用传统设计，需要额外增加独立的增压气瓶，这样会增加火箭的质量。而自生增压方案是利用发动机燃气发生器的富余氧气返回贮箱中为第一级氧箱进行增压，即可以为火箭减少12个单独的增压气瓶以及一整套冗余增压系统，这样不仅能简化结构，增加可靠性，也可以大大减轻火箭的质量，这在国际上是首创。但是该方案以前从未曾有过应用先例，所以一开始受到了专家质疑。为此，上海航天部门组织开展了大量试验和攻关，充分验证了方案可行性，并通过热试车有效验证了增压系统的工作性能，仅增压输送系统就申请了16项专利。

此外，长征－6还创造性地使用了发动机燃气滚控系统，即利用第一级发动机涡轮泵做功后引出高温高压富氧燃气，与发动机一起对火箭进行滚动姿态控制，以保证火箭飞行过程中的姿态稳定，这在国际上属于首创。

由于长征－6的动力系统和电气系统与另外在研的两种新一代运载火箭—长征-5、7基本相同，所以其成功发射有效地验证了我国在大推力、高可靠性、高适应性、低成本、无毒无污染运载火箭领域的关键技术突破，标志着我国在运载火箭现代化、推进剂无毒化方向迈出了坚实的一步，也拉开了我国新一代运载火箭投入使用的序幕。

“三平”技术：“开着”火箭去发射

在传统技术中，运载火箭在执行发射任务前都需要分段运输至发射场，再在发射塔架上完成各级火箭的垂直吊装总装和测试。在我国现役运载火箭中，只有执行载人航天发射任务的长征-2F火箭采用了整体垂直转运模式。而长征－6针对后续卫星发射的需求，在国内运载火箭领域创造性地采用了“三平”测发模式，对现役运载火箭的测发模式进行了一次彻底的变革。

所谓“三平”就是“水平整体测试、水平整体星箭对接、水平整体运输起竖发射”。运载火箭在水平状态下在厂房内完成全箭总装和测试，包括与卫星的对接，同时将整发火箭水平放置于专门研制的自行式整体运输起竖车上，由起竖车将火箭水平运输至发射工位，并完成水平对接、翻转起竖、垂直定位、燃料加注和发射等动作。整个过程一气呵成，大大简化了发射区操作时间和发射台占用时间。按照设计，采用“三平”测发模式的长征－6的发射准备周期仅需7天，可有效满足卫星发射低成本、短周期的需求。

水平吊运长征－6整箭（上海航天提供）

精准控制：在太空“上门投递”

火箭的飞行过程看似简单，但需要经历点火发射、级间分离、俯仰偏航、轨道修正、发动机关机及重新点火、载荷分离等一系列复杂动作，如何确保对一系列动作进行精准控制，就要靠火箭的“神经网络”—控制系统了。

长征－6紧跟国际运载火箭发展趋势，将控制、测量、供配电组成了全新的电气系统，有效提高了火箭电气系统的先进性、可靠性与适应性。在控制系统中，采用了双八表捷联惯组组合导航技术和迭代制导技术，综合利用地面测控网、导航星座系统和中继卫星，实现天基测控和地基测控相结合，在火箭飞行过程中对火箭状态进行实时测量，实现更高的导航精度，确保卫星入轨精度达到百米级，实现了点对点的投放，达到国际先进水平。

工艺革新：航天“智”造迈向4.0

长征-6在设计中采用了全箭数字化协同研发及一体化总装集成技术，引入数字化研发技术和从顶向下（Top-Down）的设计思想，用时髦的话讲就是用了工业4.0的技术，从总体到分系统到重要单机进行协同研发及一体化总装集成，形成了自顶向下的数字化设计流程，建立覆盖总体、分系统及关键单机的三维数字样机，替代实物模装，大大降低了研制成本。长征－6还紧跟国际运载火箭电气系统发展方向，成功应用箭地一体化快速测试技术，实现箭上信息一体化、供配电一体化和地面测发控系统一体化，测试系统能实现几百万条大数据信息的实时解析、自动判读，大大提高了可靠性。

长征－6采用水平整体运输（上海航天提供）

为了更好地降低火箭自身质量，长征－6首次采用了大温差隔热复合材料夹层共底贮箱。试验、改进、研制……16个月，22个贮箱，6次低温加注、强度试验，最终攻克了夹层共底研制难题，并掌握了激光扫描及仿形加工、结构件整体胶接成型等关键制造技术。

通过长征－6的研制，上海航天技术研究院还掌握了高精度膜片贮箱制造加工、高压引流伺服系统、低温静力试验技术等一大批自主关键技术，有力推动了航天制造技术的快速发展，并带动了一大批工艺技术的改进。

开拓－1拍摄的地球北极照片

多星发射：商业发射新起点

20世纪80年代，上海航天技术研究院首次在国内实现了“一箭三星”发射，后续，又使用长征-2D、4B、4C多次完成“一箭多星”的国内国际发射任务。采用“一箭多星”发射方式可以充分利用运载火箭的运载能力余量，经济便捷地把搭载卫星送入地球轨道，为卫星发射服务提供了多种选择模式，能有力促进微小卫星技术发展。

长征－6首飞箭以“一箭二十星”方式将开拓－1、希望－2、天拓－3、纳星－2、皮星－2、紫丁香－2 等20颗小卫星送入了预定的轨道，这些卫星主要用于开展航天新技术、新体制、新产品等空间试验，对于促进我国微小卫星发展和新技术试验验证等具有重要意义。同时，为了满足多星发射的需求，长征－6还在国内首次采用了冯·卡门复合材料全透波卫星整流罩，使卫星整流罩具备了全向透波能力,有力改善了全箭力学环境和卫星环境条件。

通过对多星发射技术的探索，在这次发射活动中还形成了系列化、标准化的多星发射接口，为今后进一步降低卫星发射成本、提升多星发射能力奠定了技术基础。

长征－6使用集火箭运输、起竖、发射脐带塔功能于一体的自行式整体运输起竖车（上海航天提供）

“天女散花”：防止碰撞有绝招

长征－6的“首秀”创造了国内单次发射卫星数量之最，仅次于美俄两国，这标志着中国航天科技集团公司成功突破和掌握了多星发射技术，为我国发展系列化、标准化的多星发射接口装置，推动小卫星技术发展与应用奠定了技术基础，同时也标志着我国在运载火箭现代化、模块化方面迈出了坚实的一步。

此次发射的20颗小卫星来自6个不同的研制单位，大小质量各不相同。要稳妥地释放它们，对火箭有效空间的运用是一个考验。这20颗小卫星中有10颗主星，另外10颗是子星。它们被分成了3层，像金字塔般地分别排列。最底层安放了5颗主星，其中2颗主星各携带2颗子星；中间层有4颗主星，其中1颗主星携带5颗子星；最上面一层则是1颗主星携带1颗子星。

长征－6创造性地采用了支承舱＋多星分配器的布局方式，在一个整流罩的空间内完成了所有的卫星布置，确保了卫星分离速度、方向各不相同，保证分离的安全性。这些成果为日后火箭进一步提升多星发射能力奠定了基础。

这20颗小卫星被长征－6带上太空后分4次释放，每次释放只间隔几十秒的时间，如何确保它们不会相互磕着、碰着呢？其中的10颗主星按照一、二、三层依次释放，其中第三层的5颗主星分2次释放，另外10颗子星择机释放。为了星箭分离后的近场安全，长征－6创新性地采取了“灵巧末级”设计，即火箭末级可以高精度调姿和实现正推轨道控制，这在国内运载火箭中尚属首次，给多星分离轨道设计提供了极大的便利。在多星分离轨道设计时，还给长征－6创新性地采用了“多星轨道周期控制方法”，即把多颗卫星间及与卫星与火箭末级的轨道周期拉开后越飞越远，保证了星星间、星箭间的安全距离。

2　研制历程

自2009年长征－6正式批复立项至今，6年的研制攻关路，记录了我国新一代运载火箭从无到有、不断跨越的艰辛历程。

从零开始

自1970年我国第一枚运载火箭长征－1发射成功以来，经过多年的技术发展，我国已先后成功研制了15个型号的运载火箭（2015年10月，又发射成功了首枚长征-11），组成了相对完备的现役运载火箭型谱，具备了完整的独立进入空间的能力。进入20世纪90年代后，世界各国都开始投入新型运载火箭的研制之中，进一步提高火箭可靠性、降低发射成本、提升运载能力成为新型火箭的发展趋势。与此同时，我国也提出了发展新一代运载火箭的设想。

2008年7月，中国航天科技集团公司明确由上海航天技术研究院组织开展新型液体运载火箭的研制工作，长征－6的研制由此拉开了序幕。

对于研制团队而言，这无疑是一个极为令人振奋的消息，因为当时国内已近20年未开展新型火箭的研制，能从事一个全新型号的研制，无疑是每一个火箭人都梦寐以求的事。但紧随而来的却是前行路上的重重困难，新一代火箭与现有的“长征”系列火箭有着很大的差异—全新的动力系统、更高的安全可靠性要求、低成本发射控制要求、短周期发射要求……在没有成熟经验参考的情况下，创新就是唯一的出路。

发动机自生增压系统、燃气滚控、“三平”测发、复合材料夹层共底贮箱、新型电气系统……一个又一个大胆的设想在一轮轮通宵达旦的讨论中不断地被提出。研讨、改进、论证，再研讨、再改进、再论证、再讨论……终于，在不到半年的时间里，技术人员就完成了新型火箭优化方案，解决了运载能力、测发流程、整体起竖可行性、火箭可控性、新型结构方案等几大难题，总体技术指标满足了立项要求。

2009年8月火箭正式批复立项，命名为长征－6，代号CZ-6。从此，上海航天抓总研制的新一代液体运载火箭有了自己的名字，在中国的“长征”系列运载火箭家族中拥有了自己的位置。

三次试车

2012年11月，火箭迎来研制历程中最关键的一个考验—第一级热试车。这不仅要考核火箭的增压输送系统和发动机，还包括控制系统、测量系统和附加系统，对火箭而言具有里程碑式的重要意义。伴随着震耳欲聋的声响和发动机尾焰蒸腾出的滚滚水汽，短短170s，增压输送系统全程增压正常，控制系统按预定程序发出控制指令，伺服机构双向摆角1.6°，燃气滚控按预定程序完成6次打开关闭，101试车台20年来的首次热试车圆满成功。

随后，2013年4月，第二级热试车试验成功。2013年7月，第三级热试车试验成功。三次热试车的圆满完成，为长征－6首飞奠定了扎实的基础，也充分验证了自增压技术的可行性。

谱写新篇

2013年9月，火箭正式转入试样研制阶段，与此同时，研制团队进驻太原卫星发射中心，开展整箭发射场合练，为最后的发射做准备。2013年12月，合练任务圆满完成，为长征－6的发射积累了一整套完备的数据和流程。

2015年7月，长征－6正式出厂，同年9月20日，火箭发射圆满成功。长征－6的成功发射，有效解决了原有“长征”系列运载火箭存在的生产发射周期长等不足，标志着我国在运载火箭现代化、推进剂无毒化方向迈出了坚实一步，并将推动多星发射装置系列化、标准化的发展，也拉开了我国新一代运载火箭投入使用的序幕。