首飛成功的我國新型火箭長征-6別開生面

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首飛成功的我國新型火箭長征-6別開生面

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

“長征”家族添新丁“一箭多星”創紀錄

編者按：當今世界，微小衛星蓬勃發展，“一箭多星”發射為微小衛星提供了低成本進入太空的機會。伴隨著微小衛星技術的快速發展，“一箭多星”發射任務的需求越來越多。2015年9月20日－10月7日，我國共進行了3次“一箭多星”發射，共計成功將28顆微小衛星送入太空。其中，新型液體火箭長征－6以“一箭二十星”的方式一舉成功將20顆微小衛星送入預定軌道，不僅開創了我國“一箭多星”發射的新紀錄，也打破了由印度保持的亞洲“一箭多星”發射紀錄；執行“一箭四星”發射任務的新型固體運載火箭長征－11也成功實現首飛。以“一箭四星”方式成功入軌的吉林－1衛星組星是我國首批自主研制的商業遙感衛星。

藉此之際，本刊特推出“新型火箭‘一箭多星’發射與微小衛星發展”專題，以饗讀者。

2015年9月20日，我國在太原衛星發射中心用全新研制的長征－6運載火箭成功將20顆衛星送入預定軌道。這不僅標志著我國“長征”系列運載火箭家族再添新成員，而且開創了我國“一箭多星”發射的新紀錄。

長征－6是三級液體運載火箭，主要用于滿足微小衛星發射需求，其研制成功對于完善我國運載火箭型譜、提高火箭發射安全環保性、提升進入空間能力具有重要意義。

本次發射的衛星分別由中國航天科技集團公司所屬航天東方紅衛星有限公司和深圳航天東方紅海特衛星有限公司，以及國防科學技術大學、清華大學、浙江大學和哈爾濱工業大學等單位研制，創造了國內單次發射衛星數量之最。為了滿足“一箭多星”發射任務要求，各方開展了多輪次的論證和數學仿真，并探索系列化、標準化多星發射接口，為后續單發火箭進行更多數量衛星發射奠定了技術基礎。

1　創新多多

此次發射的長征－6是我國新一代運載火箭，它不但提高了我國空間進入能力，實現了運載技術跨越式發展，縮小了與世界先進國家差距，還實現了我國在大推力、高可靠性、高適應性、低成本運載火箭領域的關鍵技術突破，對我國運載火箭后續發展具有里程碑意義。

此次發射的是長征－6系列運載火箭的基本型，主要用于滿足微小衛星發射需求。火箭全長29m，可將1t的有效載荷發射到700km高的太陽同步軌道,其發射成功為我國后續新型捆綁式運載火箭發展奠定了基礎。

長征－6由中國航天科技集團公司上海航天技術研究院抓總研制，于2009年8月正式批復立項，采用了全新的總體方案、結構形式、動力系統和電氣系統，自主創新成果達幾十項。其發射可靠性提高到0.98，達到國際先進水平。

該火箭首次采用高壓補燃循環液氧/煤油發動機和“三平”測發模式，成功突破了高精度控制技術、氧箱自增壓技術、燃氣滾控技術、箭地一體化快速測發技術等一系列關鍵技術，并按照“通用化、組合化、系列化”的設計思路，可進一步提高運載能力，有效提高國際商業發射市場競爭力，標志著我國在運載火箭現代化、模塊化方面邁出了堅實一步。

綠色環保：開啟火箭新征程

近年來，世界各國都加大了對新型運載火箭研制的力度，大直徑、大運載能力、低成本、高可靠、無污染和易操作等成為后續運載火箭發展的趨勢。但同時受越來越旺盛的微小衛星發射需求的牽引，發展經濟、靈活、便捷的小型運載火箭，適應國際商業發射需求，也成為一種發展趨勢，長征－6由此應運而生。

作為我國新一代運載火箭中第一型投入發射應用的火箭，長征－6首次采用了我國最新研制的高壓、大推力、無毒無污染的補燃循環液氧/煤油發動機。其第一級直徑為3.35m，采用單臺最大推力為120t的液氧/煤油發動機，第二、三級直徑均為2.25m，分別采用一臺液氧/煤油發動機和一臺常規推進劑發動機。

為了獲得更大的運載能力，長征－6采用了一系列全新的設計方案，其中的最大亮點是采用了獨特的發動機氧箱自生增壓技術。在火箭飛行中，需要不斷對發動機氧箱進行增壓。如果用傳統設計，需要額外增加獨立的增壓氣瓶，這樣會增加火箭的質量。而自生增壓方案是利用發動機燃氣發生器的富余氧氣返回貯箱中為第一級氧箱進行增壓，即可以為火箭減少12個單獨的增壓氣瓶以及一整套冗余增壓系統，這樣不僅能簡化結構，增加可靠性，也可以大大減輕火箭的質量，這在國際上是首創。但是該方案以前從未曾有過應用先例，所以一開始受到了專家質疑。為此，上海航天部門組織開展了大量試驗和攻關，充分驗證了方案可行性，并通過熱試車有效驗證了增壓系統的工作性能，僅增壓輸送系統就申請了16項專利。

此外，長征－6還創造性地使用了發動機燃氣滾控系統，即利用第一級發動機渦輪泵做功后引出高溫高壓富氧燃氣，與發動機一起對火箭進行滾動姿態控制，以保證火箭飛行過程中的姿態穩定，這在國際上屬于首創。

由于長征－6的動力系統和電氣系統與另外在研的兩種新一代運載火箭—長征-5、7基本相同，所以其成功發射有效地驗證了我國在大推力、高可靠性、高適應性、低成本、無毒無污染運載火箭領域的關鍵技術突破，標志著我國在運載火箭現代化、推進劑無毒化方向邁出了堅實的一步，也拉開了我國新一代運載火箭投入使用的序幕。

“三平”技術：“開著”火箭去發射

在傳統技術中，運載火箭在執行發射任務前都需要分段運輸至發射場，再在發射塔架上完成各級火箭的垂直吊裝總裝和測試。在我國現役運載火箭中，只有執行載人航天發射任務的長征-2F火箭采用了整體垂直轉運模式。而長征－6針對后續衛星發射的需求，在國內運載火箭領域創造性地采用了“三平”測發模式，對現役運載火箭的測發模式進行了一次徹底的變革。

所謂“三平”就是“水平整體測試、水平整體星箭對接、水平整體運輸起豎發射”。運載火箭在水平狀態下在廠房內完成全箭總裝和測試，包括與衛星的對接，同時將整發火箭水平放置于專門研制的自行式整體運輸起豎車上，由起豎車將火箭水平運輸至發射工位，并完成水平對接、翻轉起豎、垂直定位、燃料加注和發射等動作。整個過程一氣呵成，大大簡化了發射區操作時間和發射臺占用時間。按照設計，采用“三平”測發模式的長征－6的發射準備周期僅需7天，可有效滿足衛星發射低成本、短周期的需求。

水平吊運長征－6整箭（上海航天 提供）

精準控制：在太空“上門投遞”

火箭的飛行過程看似簡單，但需要經歷點火發射、級間分離、俯仰偏航、軌道修正、發動機關機及重新點火、載荷分離等一系列復雜動作，如何確保對一系列動作進行精準控制，就要靠火箭的“神經網絡”—控制系統了。

長征－6緊跟國際運載火箭發展趨勢，將控制、測量、供配電組成了全新的電氣系統，有效提高了火箭電氣系統的先進性、可靠性與適應性。在控制系統中，采用了雙八表捷聯慣組組合導航技術和迭代制導技術，綜合利用地面測控網、導航星座系統和中繼衛星，實現天基測控和地基測控相結合，在火箭飛行過程中對火箭狀態進行實時測量，實現更高的導航精度，確保衛星入軌精度達到百米級，實現了點對點的投放，達到國際先進水平。

工藝革新：航天“智”造邁向4.0

長征-6在設計中采用了全箭數字化協同研發及一體化總裝集成技術，引入數字化研發技術和從頂向下（Top-Down）的設計思想，用時髦的話講就是用了工業4.0的技術，從總體到分系統到重要單機進行協同研發及一體化總裝集成，形成了自頂向下的數字化設計流程，建立覆蓋總體、分系統及關鍵單機的三維數字樣機，替代實物模裝，大大降低了研制成本。長征－6還緊跟國際運載火箭電氣系統發展方向，成功應用箭地一體化快速測試技術，實現箭上信息一體化、供配電一體化和地面測發控系統一體化，測試系統能實現幾百萬條大數據信息的實時解析、自動判讀，大大提高了可靠性。

長征－6采用水平整體運輸（上海航天 提供）

為了更好地降低火箭自身質量，長征－6首次采用了大溫差隔熱復合材料夾層共底貯箱。試驗、改進、研制……16個月，22個貯箱，6次低溫加注、強度試驗，最終攻克了夾層共底研制難題，并掌握了激光掃描及仿形加工、結構件整體膠接成型等關鍵制造技術。

通過長征－6的研制，上海航天技術研究院還掌握了高精度膜片貯箱制造加工、高壓引流伺服系統、低溫靜力試驗技術等一大批自主關鍵技術，有力推動了航天制造技術的快速發展，并帶動了一大批工藝技術的改進。

開拓－1拍攝的地球北極照片

多星發射：商業發射新起點

20世紀80年代，上海航天技術研究院首次在國內實現了“一箭三星”發射，后續，又使用長征-2D、4B、4C多次完成“一箭多星”的國內國際發射任務。采用“一箭多星”發射方式可以充分利用運載火箭的運載能力余量，經濟便捷地把搭載衛星送入地球軌道，為衛星發射服務提供了多種選擇模式，能有力促進微小衛星技術發展。

長征－6首飛箭以“一箭二十星”方式將開拓－1、希望－2、天拓－3、納星－2、皮星－2、紫丁香－2 等20顆小衛星送入了預定的軌道，這些衛星主要用于開展航天新技術、新體制、新產品等空間試驗，對于促進我國微小衛星發展和新技術試驗驗證等具有重要意義。同時，為了滿足多星發射的需求，長征－6還在國內首次采用了馮·卡門復合材料全透波衛星整流罩，使衛星整流罩具備了全向透波能力,有力改善了全箭力學環境和衛星環境條件。

通過對多星發射技術的探索，在這次發射活動中還形成了系列化、標準化的多星發射接口，為今后進一步降低衛星發射成本、提升多星發射能力奠定了技術基礎。

長征－6使用集火箭運輸、起豎、發射臍帶塔功能于一體的自行式整體運輸起豎車（上海航天 提供）

“天女散花”：防止碰撞有絕招

長征－6的“首秀”創造了國內單次發射衛星數量之最，僅次于美俄兩國，這標志著中國航天科技集團公司成功突破和掌握了多星發射技術，為我國發展系列化、標準化的多星發射接口裝置，推動小衛星技術發展與應用奠定了技術基礎，同時也標志著我國在運載火箭現代化、模塊化方面邁出了堅實的一步。

此次發射的20顆小衛星來自6個不同的研制單位，大小質量各不相同。要穩妥地釋放它們，對火箭有效空間的運用是一個考驗。這20顆小衛星中有10顆主星，另外10顆是子星。它們被分成了3層，像金字塔般地分別排列。最底層安放了5顆主星，其中2顆主星各攜帶2顆子星；中間層有4顆主星，其中1顆主星攜帶5顆子星；最上面一層則是1顆主星攜帶1顆子星。

長征－6創造性地采用了支承艙＋多星分配器的布局方式，在一個整流罩的空間內完成了所有的衛星布置，確保了衛星分離速度、方向各不相同，保證分離的安全性。這些成果為日后火箭進一步提升多星發射能力奠定了基礎。

這20顆小衛星被長征－6帶上太空后分4次釋放，每次釋放只間隔幾十秒的時間，如何確保它們不會相互磕著、碰著呢？其中的10顆主星按照一、二、三層依次釋放，其中第三層的5顆主星分2次釋放，另外10顆子星擇機釋放。為了星箭分離后的近場安全，長征－6創新性地采取了“靈巧末級”設計，即火箭末級可以高精度調姿和實現正推軌道控制，這在國內運載火箭中尚屬首次，給多星分離軌道設計提供了極大的便利。在多星分離軌道設計時，還給長征－6創新性地采用了“多星軌道周期控制方法”，即把多顆衛星間及與衛星與火箭末級的軌道周期拉開后越飛越遠，保證了星星間、星箭間的安全距離。

2　研制歷程

自2009年長征－6正式批復立項至今，6年的研制攻關路，記錄了我國新一代運載火箭從無到有、不斷跨越的艱辛歷程。

從零開始

自1970年我國第一枚運載火箭長征－1發射成功以來，經過多年的技術發展，我國已先后成功研制了15個型號的運載火箭（2015年10月，又發射成功了首枚長征-11），組成了相對完備的現役運載火箭型譜，具備了完整的獨立進入空間的能力。進入20世紀90年代后，世界各國都開始投入新型運載火箭的研制之中，進一步提高火箭可靠性、降低發射成本、提升運載能力成為新型火箭的發展趨勢。與此同時，我國也提出了發展新一代運載火箭的設想。

2008年7月，中國航天科技集團公司明確由上海航天技術研究院組織開展新型液體運載火箭的研制工作，長征－6的研制由此拉開了序幕。

對于研制團隊而言，這無疑是一個極為令人振奮的消息，因為當時國內已近20年未開展新型火箭的研制，能從事一個全新型號的研制，無疑是每一個火箭人都夢寐以求的事。但緊隨而來的卻是前行路上的重重困難，新一代火箭與現有的“長征”系列火箭有著很大的差異—全新的動力系統、更高的安全可靠性要求、低成本發射控制要求、短周期發射要求……在沒有成熟經驗參考的情況下，創新就是唯一的出路。

發動機自生增壓系統、燃氣滾控、“三平”測發、復合材料夾層共底貯箱、新型電氣系統……一個又一個大膽的設想在一輪輪通宵達旦的討論中不斷地被提出。研討、改進、論證，再研討、再改進、再論證、再討論……終于，在不到半年的時間里，技術人員就完成了新型火箭優化方案，解決了運載能力、測發流程、整體起豎可行性、火箭可控性、新型結構方案等幾大難題，總體技術指標滿足了立項要求。

2009年8月火箭正式批復立項，命名為長征－6，代號CZ-6。從此，上海航天抓總研制的新一代液體運載火箭有了自己的名字，在中國的“長征”系列運載火箭家族中擁有了自己的位置。

三次試車

2012年11月，火箭迎來研制歷程中最關鍵的一個考驗—第一級熱試車。這不僅要考核火箭的增壓輸送系統和發動機，還包括控制系統、測量系統和附加系統，對火箭而言具有里程碑式的重要意義。伴隨著震耳欲聾的聲響和發動機尾焰蒸騰出的滾滾水汽，短短170s，增壓輸送系統全程增壓正常，控制系統按預定程序發出控制指令，伺服機構雙向擺角1.6°，燃氣滾控按預定程序完成6次打開關閉，101試車臺20年來的首次熱試車圓滿成功。

隨后，2013年4月，第二級熱試車試驗成功。2013年7月，第三級熱試車試驗成功。三次熱試車的圓滿完成，為長征－6首飛奠定了扎實的基礎，也充分驗證了自增壓技術的可行性。

譜寫新篇

2013年9月，火箭正式轉入試樣研制階段，與此同時，研制團隊進駐太原衛星發射中心，開展整箭發射場合練，為最后的發射做準備。2013年12月，合練任務圓滿完成，為長征－6的發射積累了一整套完備的數據和流程。

2015年7月，長征－6正式出廠，同年9月20日，火箭發射圓滿成功。長征－6的成功發射，有效解決了原有“長征”系列運載火箭存在的生產發射周期長等不足，標志著我國在運載火箭現代化、推進劑無毒化方向邁出了堅實一步，并將推動多星發射裝置系列化、標準化的發展，也拉開了我國新一代運載火箭投入使用的序幕。

長征－6進行發射前的最后準備（上海航天　提供）

整裝待發的長征－6火箭

宗河/文