長征八號運載火箭首飛意義及關鍵技術

吳義田 陳曉飛 張津澤 徐珊姝 楊樹濤 劉銀 趙永志 宮長輝 （北京宇航系統工程研究所）

長征八號運載火箭在文昌航天發射場成功發射

作為我國新一代中型運載火箭，長征八號（CZ―8）運載火箭于2020年12月22日首飛成功！長征八號火箭填補了我國太陽同步軌道（SSO）運載能力的空白，突破了發動機推力調節、基于數值仿真的動特性獲取、飛行載荷控制、Ka頻段高碼率天基測控等一系列關鍵技術，并成功進行工程應用。長征八號運載火箭具有適應性強、運載效率高、經濟性好等特性，未來將逐步成為我國中低軌運載火箭的主力。

1 引言

近年來我國航天事業迅猛發展，國際商業航天發射市場對中低軌航天器的發射需求越來越龐大，而“長征”系列運載火箭各自的定位和使命不同，當需要執行3～5t級左右的SSO軌道發射任務時，長征五號和長征七號大材小用，長征六號和長征十一號又難以扛起重任。

長征八號火箭秉承了新一代運載火箭“模塊化、組合化、系列化”的發展思路，采用模塊化組合的方法進行研制，具有良好的繼承性、經濟性、先進性和適應性，可以滿足未來中低軌高密度發射任務需求。長征八號火箭采用了綠色無污染推進劑，是新一代運載火箭型譜的重要組成，為后續運載火箭的升級換代提供有力支撐。

2030年前，主流的1～8t中型航天器的發射需求非常龐大，其中，中、低軌道占59%，97%的發射任務都可以用長征八號火箭執行。同時，當前星座組網發射成為爆點，以商業發射、“一箭多星”為主要特征。預計2023年前后，星座發射年均將達到10次以上，長征八號火箭作為商業發射的有力競爭者也很有優勢。

“十三五”中期，長征八號火箭立項并開始研制，火箭定位為：填補新一代運載火箭型譜空白，形成可覆蓋1～5t SSO運載能力低成本主力中型火箭；對標國際一流，降本增效，打造出一款具有國際競爭力的火箭。

2 火箭總體情況

長征八號火箭采用芯級捆綁2枚助推器構型，全長約50.3m，起飛質量約356t，起飛推力約480t，700km SSO軌道運載能力不小于4.5t。

火箭芯一級直徑3.35m，配置2臺120t級YF-100液氧煤油發動機；捆綁2枚助推器，直徑2.25m，各配置1臺120t級YF-100液氧煤油發動機；芯二級直徑3m，配置2臺8t級YF-75氫氧發動機；整流罩直徑4.2m。

長征八號火箭由箭體結構、動力系統、控制系統、測量系統、總控網系統和地面發射支持系統組成。

長征八號火箭系統構成

3 火箭特點

適應性強

長征八號系列火箭可以完成不同軌道的發射任務，可以為低軌星座、低傾角衛星、小型電推進高軌衛星等提供服務；700km SSO運載能力覆蓋3.0～5.5t級，可滿足大部分中大型有效載荷或多星組網的發射需求。

長征八號火箭配套形成了兩款整流罩，整流罩A的直徑為4.2m，柱段高度為4.5m，罩內最大可用包絡Ф3.85m；整流罩B直徑為4.2m，柱段高度為8m，罩內最大可用包絡Ф3.8m。采用國際標準的星箭接口，可用660、937、1194、2334等線性連接解鎖裝置；可采用標準化、通用化的點式連接解鎖裝置，靈活適應衛星“一箭一星”或“一箭多星”的發射需求。

運載效率高

運載效率為火箭運載能力與起飛質量的比值，是表征火箭性能的一項重要指標。長征八號火箭作為一款帶捆綁的液體中型運載火箭，采用組合化、模塊化研制，從立項到首飛成功，僅用時3年多，創造了我國運載火箭研制時間最短的紀錄。長征八號火箭采用了液氧/煤油、液氫液氧等推進劑，在SSO軌道發射市場領域，其運載效率處于國內領先水平。

經濟性好

為了適應國際航天的發展趨勢，各國都在積極降低發射成本，參與市場競爭。歐洲阿里安-6（Ariane-6）火箭期望將地球同步轉移軌道（GTO）的價格從阿里安-5的2萬美元/kg降低50%，并在未來降至5千美元/kg。而太空探索技術公司（SpaceX）面向SSO軌道小衛星搭載的報價已經是5千美元/kg。長征八號火箭對標國際，從設計階段開始，采用一系列方法積極降低發射成本，參與市場競爭。

長征八號火箭主要降低成本的技術手段包括：①充分繼承已有的技術，并盡可能實現產品化設計；②采用成本低廉的材料，成熟高效的工藝，以降低制造成本；③采用一體化的電氣系統，以減少產品配套，這也是降低成本的有力措施；④簡化地面產品配套，形成一體化的地面測發控系統，并通過集成優化來降低成本；⑤通過天基測控等手段，降低對地面系統的依賴，可以降低發射成本。

基于上述設計思路與方法，長征八號火箭首飛實現了部分降低成本的技術應用，后續還將迭代改進，進一步提升經濟性。

4 關鍵技術

長征八號火箭突破了發動機推力調節、基于數值仿真的動特性獲取、飛行載荷控制、Ka頻段高碼率天基測控等一系列關鍵技術。

發動機推力調節技術

發動機推力調節技術是未來實現火箭重復使用、降低成本的重要技術。長征八號火箭實現了發動機推力調節技術的首次工程應用，是國內首個在飛行中采用發動機推力節流的火箭，為火箭的可回收式設計積累了重要的工程經驗。研制人員結合YF-100發動機節流參數設計、適應性改進、試驗驗證等環節，完成了關鍵技術的攻關。

我國現役運載火箭SSO軌道運載效率對比

1）完成了發動機節流參數及減載設計的閉環，明確發動機節流指標。針對不同節流比例開展了最優能力彈道設計，在設計過程中考慮各項火箭彈道設計約束，確定火箭首飛任務中發動機節流比例為77.5%。

2）發動機完成了節流研制，先后完成1臺2次低工況長程試車，以及與控制系統、伺服機構等聯合試車，考核了長程、低工況工作的性能，驗證了系統間的匹配性。

3）控制系統確定節流控制方案，開展了2次推力調節電機控制匹配試驗，驗證了變頻控制規律，以及驅動電路與步進電機之間的匹配性。

發動機推力調節試車

4）一級伺服機構針對芯一級發動機77.5%工況進行了適應性改進，并完成了性能驗證試驗，可適應發動機變推力工況。

基于數值仿真的動特性獲取技術

長征八號火箭是我國首個研制階段未開展全箭模態試驗的捆綁式運載火箭，如何快速準確獲取全箭動特性數據成為研制中必須攻克的一項關鍵技術。

長征八號火箭提出基于已有箭體模塊試驗數據和數值仿真分析相結合的全箭動特性獲取技術方案，創新采用基于關鍵部段連接剛度敏感度影響分析的模態數據偏差選取方法，并首次將模態振型斜率精細化預示技術應用于型號設計實踐；先后進行全箭精細化動力學建模及模型組裝、模塊連接關鍵部段剛度敏感度影響分析、慣性器件振型斜率精細化仿真預示、相似型號模態試驗數據及偏差統計包絡分析、靶場豎立模態試驗驗證5個方面工作，快速準確獲取全箭動特性參數，保障首飛成功。

1）創新提出基于關鍵部段連接剛度敏感度影響分析的模態數據偏差選取方法，很好地解決了未開展模態試驗情況下，動力學模型準確性量化評估難題。

2）建立慣性器件安裝艙段整體及局部精細化動力學模型，首次將模態振型斜率精細化預示技術應用于型號設計實踐。

3）組織發射場全箭豎立狀態模態試驗，提出采用豎立狀態模態試驗數據驗證飛行狀態全箭動力學模型的方法，充分利用地面試驗降低首飛技術風險。

發射場全箭豎立模態試驗

飛行載荷控制技術

傳統研制設計流程一般是根據飛行載荷來設計箭體結構，并通過部段靜力試驗考核箭體結構是否滿足設計載荷要求，通過靜力試驗即代表滿足了飛行任務的承載要求。而長征八號火箭是基于已有箭體結構模塊進行研制，箭體的承載能力已固定，其研制流程是通過多輪次彈道、姿控、載荷等相關專業的迭代優化設計，使得飛行載荷不超出已有箭體結構承載能力。為了減低飛行載荷，長征八號火箭采用的飛行載荷控制技術共使用了如下4項子技術。

1）發動機節流。通過使用該技術，可以在進入大風區之前，降低火箭的加速能力，降低其在稠密大氣段的速度，從而減少動壓，降低火箭在大風區段的彎矩載荷；

2）彈道風修正。運載火箭在穿過稠密大氣時，由于高空風的存在，會產生附加氣流攻角，對飛行中的氣動載荷產生不利影響。為改善火箭的飛行條件，彈道可根據高空風速風向與火箭射向的關系，通過預先調整飛行姿態，進而降低飛行中氣流攻角；

3）主動減載。通過箭上安裝橫法向加表，將加表測量的橫法向加速度引入控制回路，通過降低氣動干擾產生的載荷攻角和擺角來降低載荷；

4）載荷精細化設計。通過提升火箭飛行彈性彎矩載荷的準確性，主要通過提升陣風隨機干擾外激勵的準確性，將傳統方法進行精細化設計，降低飛行載荷。

通過上述4項技術的研究及應用，減載效果明顯，各項減載技術匹配性好，滿足了火箭結構的承載能力要求。

Ka頻段高碼率天基測控硬件設備

Ka頻段高碼率天基測控

長征八號火箭應用Ka頻段3Mbit/s天基測控系統彌補地基測控的測控盲區，完成箭上二級遙測參數高速下傳，降低了火箭發射對測控的強依賴性。天基測控子系統主要由中繼測控終端和Ka頻段相控陣天線以及相應的電纜網組成。

中繼測控終端用于接收箭上PCM數據流，按要求對全幀數據進行挑路，形成返向鏈路數據流，并從中挑出實時的起飛、火箭位置、姿態信息，根據上述信息計算相控陣天線的波束指向，使其波束對準中繼衛星，完成天線的雙向捕獲。

Ka頻段相控陣天線采用二維有源相控陣天線設計，主要用于波束指向角度信息轉換成相應的波控碼，通過控制陣列天線各單元的相位，在中繼衛星方向得到同相合成的高增益波束，配合測控終端完成與中繼衛星系統之間無線信號的傳輸，實現運載火箭系統和中繼衛星的通信。

相控陣天線采用程序跟蹤模式，接收火箭的實時位置、姿態、時間等信息，計算出波束指向角，由相控陣天線波控器根據指向角控制移相器實現發射波束的正確指向。

Ka頻段相控陣天線設計主要涉及波束指向算法、高可靠性高密度總體集成技術、高效率高性能天線陣列設計技術和相控陣天線熱控技術，實現了設備小型化及飛行高精度跟蹤。

5 首飛意義

1）填補了我國新一代運載火箭的能力空白。目前我國已研制成功的新一代運載火箭由于各自的定位和使命不同，均難以有效適應3～4.5t左右SSO軌道衛星及衛星組網的發射。長征八號火箭700km SSO軌道運載能力達到4.5t以上，有效填補了新一代運載火箭的能力空白，并同時兼顧近地軌道（LEO）和GTO軌道發射能力，進一步完善了我國運載火箭型譜。

2）突破基于模塊組合的快速集成設計，遵循“模塊化、系列化、組合化”的發展思路。長征八號火箭充分繼承在役型號的產品和技術，借鑒已有的試驗驗證成果，實現型號快速集成研制。它是我國首個研制中未開展全箭模態試驗的中大型火箭，采用虛實結合的模態分析技術。全箭動特性數據在已有模塊試驗數據及動力學模型的基礎上，通過全箭動力學模型組裝和數值仿真計算獲取。通過長征八號的研制探索，為后續其他大型、重型火箭的模態綜合技術奠定基礎，在提高效率、節約經費上積累了寶貴經驗。

3）發動機推力調節技術的首次工程應用，提升了運載火箭任務適應性，推進了運載火箭重復使用技術的發展。該技術將大幅提升總體設計優化能力，助力提升火箭的任務適應能力。同時，發動機推力調節技術的使用，將為后續我國一次性運載火箭重復使用技術提前進行相關技術驗證，為我國重復使用運載火箭研制打下堅實基礎。

4）突破了飛行載荷控制技術，同時兼顧提升對故障的適應能力，為結構輕質化、飛行智慧化打下了堅實的基礎。長征八號火箭由于受到了現有模塊結構特性的限制，其遇到了靜不穩定度大的難題，同時對減載控制等提出很高要求。通過深入研究分析各種減載穩定控制方法，采用基于角速率和橫法向過載信息融合的自適應減載控制技術，提升了輕質貯箱結構對時變不確定風場的適應性，實現了主動減載的目的。設計了基于控制效果的噴管極性辨識和控制重構算法，開展了滑行段飛行故障在線辨識，具備了特定故障工況下自主進行姿態控制重構的能力，提升了火箭飛行控制的適應性和智能化水平。

5）實現我國運載火箭Ka頻段高碼率天基測控首次全程數據和圖像獲取，為運載火箭天基測控升級換代奠定基礎。長征八號火箭配備了3Mbit/s Ka頻段天基測控終端和相控陣天線，有效解決了地基測控弧段不足、S頻段碼率受限的難題。此次Ka頻段高碼率天基測控全程數據和圖像獲取的實現，驗證了Ka頻段天基測控作為我國運載火箭天基測控未來的主要手段的可行性和正確性，為后續全面推行應用奠定堅實基礎，可以節省大量地面測控資源，助力提升我國運載火箭發射頻率和任務適應性。

6）助推我國運載火箭升級換代，體現我國建設航天強國的決心。長征八號火箭芯一級和助推器采用液氧煤油為推進劑，芯二級采用液氧液氫為推進劑，加速推進了運載火箭無毒化進程，牽引無毒無污染新一代運載火箭系列化、型譜化發展，替代常規有毒推進劑的運載火箭，彰顯中國航天的社會責任，進一步提高我國運載火箭的任務適應能力和快速進入空間的能力。

6 結束語

長征八號火箭作為一款國家立項的面向商業市場的運載火箭，研制團隊始終秉承“模塊化、組合化、系列化”的發展思路，突破了以發動機推力調節為代表的一系列關鍵技術，為我國重復使用運載火箭研制打下了堅實的基礎，填補了我國新一代運載火箭的能力空白。