固液混动 信步苍穹

张蕾

2022年3月29日，由中国航天科技集团八院抓总研制的我国首型固体捆绑运载火箭长征六号改（以下简称“长六改”）在太原卫星发射中心点火升空，成功将两颗卫星送入预定轨道。

回顾我国运载火箭发展史，长征系列运载火箭已迈入400+发射的崭新征程，但尚未有固体捆绑火箭的先例。作为我國新一代同时也是首型“混合动力”长征系列运载火箭，长六改在技术难度高、系统复杂的航天领域也算是“玩”了一把跨界，充分发挥液体发动机性能高、工作时间长和固体发动机推力大、工作可靠、使用维护简单的综合优势，进一步完善了运载火箭型谱，大幅提升了我国进入、利用和探索空间的能力。

固体发动机推力大、简单可靠的特点，在长六改上体现得淋漓尽致。据中国航天科技集团八院长六改总指挥洪刚介绍，长六改的芯一级捆绑了4台以固体燃料为动力的助推器，单枚助推推力可达120吨，刷新了长征系列运载火箭的最快“起跑”纪录。同时，借助固体发动机结构相对简单、部组件少、可靠性高、操作维护方便、贮存时间长的优势，长六改箭上的管路系统减少了55%，可在发射场直接安装固体助推器，实现捆绑火箭14天快速发射。

不过，如此一枚“硬汉”，并非我们想象中的“糙汉”。“为了克服在飞行过程中固液发动机联合工作带来的复杂力和热环境，我们建立了全面完整的捆绑火箭力学环境条件设计方法体系和气固两相喷流底部热环境预示模型，并在国内首次定量描述了声致振动特性，通过精准预示和控制措施，有效确保了卫星‘乘客’的乘坐舒适性。”中国航天科技集团八院长六改总设计师张卫东说。

据悉，长六改的捆绑连接解锁装置属于“前端辅助传力+后端主传力”，相当于利用“肩扛+托举”两种力量连接起助推器与芯级。为了进一步优化结构重量，研制团队打造了一款轻量化捆绑连接解锁装置，在运载火箭停放和飞行阶段下，可承受并有效传递轴向和径向载荷。

不过，完成“使命”后，助推器与芯级安全分离，是捆绑火箭飞行过程中最关键的分离程序之一。“为了确保在恶劣的力热环境、发动机后效推力、气动阻力等复杂干扰情况下，助推器与芯级能够安全分离，研制团队合理选择分离动力源并优化布局，结合分离时序等设计，消除了众多干扰因素对分离的影响，确保助推器分得开、分得稳。”据洪刚讲，在研制阶段，长六改成功实施3次固体助推捆绑地面分离试验，进一步验证了助推分离技术方案的有效性。

在飞行过程中，长六改的芯级与助推器发动机都要摆动，共同控制火箭的姿态。由于固液两种发动机的特点和伺服机构的动态特性不同，芯级与助推器之间势必存在干扰，给火箭的稳定飞行带来不利影响。为此，研制团队创新性地采用联合摇摆控制方案，通过优化不同飞行阶段的摆角分配，克服了长六改在飞行过程中受到的诸多干扰，让火箭能够“优雅端庄”地信步苍穹。

在固体助推器分离的瞬间，失去了大推力固体发动机的加持，长六改可能面临“空中大刹车”的危险。怎么办？研制团队想出了妙招——助推分离前，让火箭控制系统智能监测固体发动机的工作状态，将整箭控制策略从最初的联合摆动控制平稳过渡到芯级单独控制，从而最大限度地保证了火箭抛掉助推前后的稳定飞行。