长六改：我国首型固液捆绑式火箭

文/航箭

（感谢赵聪、李红兵、李同等对本文的贡献。除署名外，本文照片均为孙公明摄。）

3月29日17时50分，在太原卫星发射中心新建发射工位，长征六号改运载火箭首次点火起飞，顺利将浦江二号卫星和天鲲二号卫星送入预定轨道。作为我国首型固液捆绑运载火箭，长征六号改火箭应用一系列新技术、新工艺，具备多重优势，应用前景广阔。

固液联合优势多

近年来，我国航天高密度发射已成为常态，亟需研制具备更大运载能力、更强任务适应性的运载火箭。而为抢占市场先机，尽快服役运载能力更强、可靠性更高、性价比更优的新一代中型火箭非常重要。

早在2010年初，长六改运载火箭已经正式启动方案论证。2017年1月，长六改运载火箭的总体方案确定为两级半构型、液体芯级捆绑固体推进器。2017年9月21日，长六改运载火箭顺利通过由用户组织的立项评审。2018年10月，长六改运载火箭正式立项。

▲ 长六改火箭发射瞬间 郑斌 摄

据公开资料显示，长征六号改运载火箭总长约50米，起飞重量约530吨，700千米太阳同步轨道运载能力不小于4吨。火箭芯一、二级直径为3.35米，一级采用2台120吨推力的YF-100液氧煤油发动机，二级采用1台推力18吨的YF-115液氧煤油发动机。芯级捆绑了4台2米直径的助推器，每个助推器装有1台120吨推力的两段式固体发动机。

其中，助推器的两段式120吨推力固体发动机首次实现了型号工程化应用。这型捆绑了4个助推器的两级半构型火箭，成为我国首型固液捆绑式运载火箭，4个助推器为全箭提供了近70%的推力。

动力系统的创新无疑是长征六号改运载火箭的最大看点，我国固体火箭动力技术的发展也给了运载火箭更多选择空间。

通常来讲，想研制同等级火箭发动机，固体火箭发动机结构简单，可靠性高，发射前无须加注推进剂，使用维护简便，易实现大推力，可长时间储存，制造和测试成本更低。其中，固体火箭发动机助推器更容易灵活搭配出不同推力和不同运力的火箭。

但是，固体火箭发动机的比冲较低，导致“纯粹”固体火箭的运载系数较低，发射质量偏大，过多的结构级数设计又提高了火箭的复杂度，降低了整体可靠性。同时，固体火箭发动机燃烧剧烈且无法中止，危险性较大。

而液体火箭发动机能尽量避免这些问题，不仅比固体火箭发动机拥有更佳的比冲性能，而且很多液体火箭发动机具备节流和重复启动功能，更安全灵活。

鉴于固体火箭发动机和液体火箭发动机各有优势，科研人员希望两者“跨界合作”，使液体芯级+固体助推器的运载火箭汇集两者之长，实现技术性与经济性的完美结合。为此，长六改火箭突破了固体助推器捆绑与分离、捆绑点大集中力扩散、固液捆绑联合摇摆控制等关键技术。依托太原卫星发射中心新建的发射工位，长六改火箭可实现14天快速发射，满足中低轨道卫星高密度发射需求。

此外，长六改火箭采用模块化、组合化、系列化发展途径，通过助推器的调整，可形成单芯级、捆绑2台固体助推器、捆绑4台固体助推器、捆绑通用芯级等多种推力的构型，能像搭积木一样灵活组合，实现性能和成本的平衡，满足卫星多样化的发射需求。

据悉，在长六改火箭论证初期，研制团队针对不同的芯级级数、直径、发动机台数以及固体助推器数量、直径、分段数等，开展了方案对比论证，组合出的火箭构型有近百种。

借助固体火箭发动机的优势，长六改火箭的管路系统减少55%，可实现固体助推器在发射场直接安装，助力火箭14天快速发射。目前，2米三段式、3米两段式、3.2米三段式发动机均已试车成功，未来我国运载火箭领域动力系统会出现更多可能。

▲ 长六改火箭固体助推器特写

▲ 吊装中的长六改火箭分段

▲ 长六改火箭分段

“从头到脚”创新不少

在长征六号改运载火箭上，工艺创新随处可见。

随着长六改火箭首飞成功，世界首个3.35米充液拉深超大超薄整体成形贮箱箱底也证明了可靠性。“超大+超薄”是它的显著特性，直径4.2米、厚度10毫米的铝合金板通过充液拉深贮箱整体箱底成形技术制造后，箱底原本长达10米的焊缝消失得无影无踪，并兼具强度、韧度等方面的优秀性能。

传统火箭贮箱箱底是由一块块铝合金板材拼装、焊接而成的。为了能有更强的“铁骨”、更轻的“体重”，工匠们通过充液拉深成形技术、“蛋壳雕花”的镜像铣削技术、快速防腐技术等，提高了贮箱结构可靠性，使制造效率提升了60%以上。未来，该技术将全面应用于各种规格的火箭贮箱箱底生产制造中。

长六改火箭的整流罩是国内最大尺寸的4.2米全透波复合材料整流罩，应用了水平合罩的总装技术、线性分离的解锁方式，使得整流罩的透波性、解锁可靠性得到了显著提高。

据悉，长六改整流罩的全方向透波率达到了90%，不必再为每颗卫星定制专属透波口，简化了生产流程，减重30%左右。同时，复合材料的低热导率让整流罩在低温环境下不必再使用传统火箭所需的保温层。

星箭成功分离，验证了4.2米线性解锁全复合材料卫星整流罩设计、工艺的可行性，体现了全复合材料整流罩质量轻、全透波的优势。后续，火箭整流罩会加紧推进复合材料替代化工作，实现3.35米、3.8米、4.2米的整流罩产品统型化应用。

长六改火箭上，最关键的创新围绕着发动机“做文章”。固体和液体两种动力特性不同，很难做到完美契合，“驯服”两者不仅仅是动力系统的任务，从总体到控制，再到多个分系统，均要为这一难题绞尽脑汁。

与常规的运载火箭不同，长六改火箭发射时，芯一级发动机先点火，4个固体发动机助推器再点火。为何要一先一后处理呢？根源在于发动机特性。固体火箭发动机虽然工作可靠、使用维护简单，但“开弓便无回头路”，一旦点火，将无法紧急关机；相反，火箭芯级采用的液体火箭发动机可以通过关闭阀门等手段及时叫停。

在不同发动机一先一后点火间隙，留出了0.3秒的宝贵时间，这0.3秒内要做一件事：完成芯一级动力系统的“健康诊断”。

设计师介绍，在芯级液体发动机点火后的2.5秒，健康诊断系统进入发动机诊断窗口。之后短短的0.3秒内，这位“健康管家”需要在前期收集的大量数据基础上，对发动机的健康状况进行诊断：若监测到发动机存在问题，要在须臾间完成故障发动机自动紧急关机，确保固体助推器不再执行点火程序；在确保芯级液体发动机“健康无虞”的前提下，固体助推器才执行点火程序。

“健康管家”同样做足了功课。长六改火箭配置了3套相同的健康诊断系统，对芯级液体发动机状态进行同时诊断，如果有2套及以上系统同时判断故障存在，才会被认为是发动机故障。

设计师透露，在长六改火箭之前，国内尚无在火箭发射中应用发动机健康诊断系统的先例。此次发射任务成功，进一步验证了健康诊断系统方案设计的正确性及工程应用的可靠性。

“固体发动机推力大，但存在推力全程不稳定的问题，不像液体发动机可以持续输出一条平稳的直线。”控制系统副主任设计师胡存明介绍道，“而且捆绑在火箭4个方位的固体助推器点火后也做不到完全‘步调一致’，有的是‘急性子’，有的稍微慢一点，这会对火箭产生一定的翻转力矩。”

为此，控制系统研制团队对各类极限条件进行了全面的仿真与评估，将“液氧煤油发动机+液压伺服机构”与“固体发动机+电动伺服机构”这种“跨界混搭”组合牢牢“拿捏”，确保火箭平稳飞行。

▲ 吊运火箭整流罩

▲ 长六改火箭工艺多处革新

▲ 火箭发射准备

▲ 火箭发射准备特写

还有一个难题：受固体发动机热流影响，芯一级发动机底部过热，喷管热工作环境严酷。为此，针对芯一级发动机在飞行过程中的结构热适应性，团队给液体发动机进行了专题仿真分析和复核复算，并利用试片完成了火箭分离喷流试验考核。结果表明，芯一级发动机可以适应具备挑战性的热环境条件。

流程优化更智能

长六改火箭的一系列技术进步不是凭空得来的，科研人员为此付出了巨大努力，广泛论证试验，优化发射流程，从不同方面支持了长六改火箭终成正果。

全箭模态试验是新型火箭首飞前必须经历的大型地面试验，主要目的是通过模拟火箭真实的飞行状态，获取火箭在特征工况下的振型、斜率参数，摸清火箭的结构动力学特性，为火箭的姿态控制系统设计提供一系列数据支撑。

由于长六改火箭应用了一系列新技术、新工艺，在模态试验的组织策划和实施上面临着多重困难。

比如，装满固体燃料的助推器质量大，单个近70吨，创下了国内助推器吊装纪录。且助推与芯级的对接精度要求高，捆绑连接机构复杂，这都使得捆绑操作的难度堪比“穿针引线”。研制团队优化操作流程，耗时6天，长六改运载火箭模态箭终于完成了4个满药助推与一子级的捆绑连接工作，首次实现了国内固体助推器与液体芯级箭体的捆绑。

我国首次在运载火箭上应用固液捆绑方案，多项新技术对发动机健康诊断系统提出挑战。自2016年开始，型号团队“白手起家”，多次同发动机研制单位展开技术协调，研究分析了上千条发动机试车数据。团队先后6次奔赴西安参加真实的发动机试车，每次一待就接近1个月，以完美“战绩”实现了100%成功，系统可靠性得到充分验证。经过反复优化的发动机健康诊断方案历经2年多论证，终于获得认可。

2021年2月，长六改运载火箭顺利完成全箭15个工况的试验工作，获取到合理、可靠、足够的火箭动力学特性，满足了型号工程的研制需要，有力确保了后续任务的顺利完成。

由于一系列优化措施，长六改火箭发射流程出现了较大变化。距离火箭起飞还有4个小时，发射塔架上已无人影。相比常规的运载火箭发射流程，这提前了约3.5小时。而当时在距塔架数千米外的测控发射大厅里，试验队员有序推进火箭发射前的各项加注及测试工作。

无人值守，这是长征六号改运载火箭给发射场带来的改观。与以往运载火箭发射不同，长六改火箭发射前，工作人员会早早撤离发射塔架，所有工作都会在测控发射大厅对火箭进行远程控制。

对于液体火箭发动机来讲，加泄连接器是火箭在加注/泄出推进剂时，箭上系统与地面支持系统的连接设备，堪称“生命脐带枢纽”。在常规的火箭发射流程中，加泄连接器一般由人工对接，自动脱落，费力费时。在长六改火箭任务中，芯一级的加泄连接器被升级为智能机械臂，实现了我国运载火箭的首次智能化对接加注。

人员撤离更早，如何确保火箭诸多连接器安全脱落？其实，长六改火箭的二级加泄连接器、卫星整流罩空调送风连接器均可“零秒脱落”，也就是在火箭起飞的瞬间脱落。

据长六改火箭副总设计师张亮介绍，通过“结构简单、高可靠性的连接技术+多重冗余保障的分离方案+强制收回与捕获系统”配合，确保了“零秒脱落”万无一失，为发射前4小时全体工作人员从发射塔架撤离提供了保障。

运载火箭的能力有多大，航天的舞台就有多大。长征六号改运载火箭首飞成功，一系列技术创新经受住考验，还为技术应用拓展奠定了基础，不仅有望赢得发射市场青睐，还将进一步提升我国进入空间的能力。