長七A：我國新一代中型高軌運(yùn)載火箭

文/ 鄭恩紅 攝/ 吳桐小雨

3 月12 日，由中國航天科技集團(tuán)有限公司研制的長征七號A 運(yùn)載火箭在中國文昌航天發(fā)射場成功發(fā)射。長七A 是我國新一代中型高軌三級液體捆綁式運(yùn)載火箭，由長征七號運(yùn)載火箭與長三甲系列火箭三子級組合而成。這也是繼長征七號運(yùn)載火箭之后，長征七號系列火箭的一個新成員。

長七A 火箭與長七火箭有哪些不同？

同為長征七號系列火箭大家庭中的一員，長七A 火箭與長七火箭有著相似的基因和血液，也有著自己鮮明的個性和脾氣。

都是高個子 構(gòu)型不同

長七A 火箭全長60.1 米，長七火箭全長53.1 米，都是典型的高個子。高出來的7 米，主要源于兩者不同的構(gòu)型。

長七火箭是一型“兩級半”構(gòu)型的火箭，即火箭的芯一級、芯二級再加上助推器這個“半級”；長七A 火箭是一型“三級半”構(gòu)型的火箭，多出了一個“芯三級”，外形更顯修長。

之所以有這樣的不同，是因?yàn)殚L七火箭專門負(fù)責(zé)發(fā)射貨運(yùn)飛船，長七A火箭主要針對高軌道發(fā)射任務(wù)，為提高運(yùn)力，就需要增加一級。

此外，長七A 火箭和長七火箭整流罩柱段的高度也不同。長七A 火箭的整流罩柱段高度為5.5 米，長七火箭的整流罩柱段高度為8 米。

個頭高的反而頭部短了一點(diǎn)，主要是因?yàn)椋鸺挠行лd荷由貨運(yùn)飛船變?yōu)榱诵l(wèi)星，為更好地適應(yīng)未來高軌衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，整流罩也相應(yīng)做出調(diào)整。

軌道不同 載荷不同

長七火箭按照載人航天標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，是目前國內(nèi)設(shè)計(jì)可靠性最高的運(yùn)載火箭，主要發(fā)射的軌道是200～400 公里的近地軌道。神舟飛船、“天宮”實(shí)驗(yàn)室和我國未來的空間站都在這個軌道上工作。

長七A 火箭主要是為了滿足高軌道發(fā)射能力而研制的一型火箭。所謂“高軌道”就是近地點(diǎn)200 公里、遠(yuǎn)地點(diǎn)36000 公里的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、通信衛(wèi)星等都是這個軌道上的“常客”。

目前，我國除了長七A 火箭外，長三乙火箭和長五火箭都具備高軌發(fā)射能力。它們屬于不同力量級別，各自在能力范圍內(nèi)執(zhí)行高軌道發(fā)射任務(wù)，實(shí)現(xiàn)優(yōu)勢互補(bǔ)。

分離方式不同

一般在火箭點(diǎn)火后幾十秒，推進(jìn)劑燃燒完，火箭的助推器就會與芯一級分離，長七火箭就是采用的這種分離方式，這也是世界上絕大多數(shù)火箭都采用的分離方式。

長七A 火箭的助推與芯一級形成的組合體，在推進(jìn)劑用完后會一起與二級分離，這也是國內(nèi)第一個助推器與芯一級集束式分離的捆綁火箭。這種分離方式，不僅縮小了助推器落區(qū)范圍，提升了航區(qū)安全性，也減少了一次分離，提升了火箭在飛行中的固有可靠性。

使命不同 并非取代關(guān)系

長七A 火箭與長七火箭的關(guān)系可以用長三乙火箭和長二F 火箭的關(guān)系做個類比。

眾所周知，長征二號F 運(yùn)載火箭是我國唯一一型載人運(yùn)載火箭，它的主要使命是把我國的載人飛船送上200～400 公里的近地軌道。它有個兄弟叫“長三乙”，這款火箭是個三級火箭，能夠把衛(wèi)星送到36000 公里的遠(yuǎn)地點(diǎn)軌道。

從這個數(shù)據(jù)上就可以看到，軌道高度相差還是很大的。所以這就需要火箭具備更大的推力，才能達(dá)到更高的速度，因而有了長三乙火箭。

其實(shí)長七火箭與長七A 火箭的關(guān)系，就像長二F 火箭和長三乙火箭的關(guān)系，他們的目標(biāo)原本就不同。前面提到，長七火箭主要負(fù)責(zé)把天舟貨運(yùn)飛船送入近地軌道，而長七A 火箭在長七火箭的基礎(chǔ)上加了一級，主要針對高軌道發(fā)射任務(wù)。

所以，長七A 火箭和長七火箭在長征家族里有著各自肩負(fù)的使命，兩者并不存在誰取代誰的關(guān)系。

長七A 火箭有哪些關(guān)鍵技術(shù)？

雖然長七A 火箭繼承了長征七號和長三甲系列火箭的成熟模塊，但其研制過程絕不是簡單的“搭積木”。研制團(tuán)隊(duì)先后突破了幾大關(guān)鍵技術(shù)，為火箭成功發(fā)射奠定基礎(chǔ)。

沿最佳路徑“頂風(fēng)前行”

與長棍子一彎就容易折斷一樣，身材修長的長七A 火箭在穿出大氣層時，每時每刻都會受到天上的高空風(fēng)干擾，如果處理不好，將面臨“攔腰折斷”的巨大風(fēng)險(xiǎn)。

設(shè)計(jì)師們絞盡腦汁，提出了用準(zhǔn)實(shí)時高空風(fēng)進(jìn)行彈道修正的技術(shù)，即提前根據(jù)發(fā)射場預(yù)估的發(fā)射時刻高空風(fēng)來調(diào)整火箭穿出大氣層的飛行姿態(tài)，以便于其沿著最佳的路徑“頂風(fēng)前行”，減小了被折斷的風(fēng)險(xiǎn)。

這項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用使長七A 火箭在飛行中的風(fēng)載荷降低了24%，達(dá)到了國際先進(jìn)水平。

正因?yàn)橛写隧?xiàng)技術(shù)，長七火箭和長三甲系列火箭的成熟結(jié)構(gòu)不需加強(qiáng)就能直接應(yīng)用到長七A 火箭上，大大節(jié)省了該火箭的研制經(jīng)費(fèi)，提升了運(yùn)載能力。

雖又細(xì)又長 卻又穩(wěn)又準(zhǔn)

長七A 火箭身材修長，長細(xì)比在國內(nèi)數(shù)第一。按照日常生活經(jīng)驗(yàn)，又細(xì)又長的東西一般會比較軟，對于火箭來說也是如此。

這個問題表現(xiàn)在長七A 火箭上，就是火箭的基礎(chǔ)頻率降低，火箭受到推進(jìn)劑晃動等產(chǎn)生的耦合效果就更加明顯，晃動頻率提高，姿態(tài)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)難度較大，處理不好可能導(dǎo)致它的飛行姿態(tài)發(fā)散。

因此，研制隊(duì)伍采用“移花接木”的方式，將長征七號合練箭和長征三號甲火箭工藝貯箱進(jìn)行舊品利用，組裝出一發(fā)全箭模態(tài)用火箭，通過全箭模態(tài)試驗(yàn)掌握了火箭彈性頻率，在此基礎(chǔ)上開展控制系統(tǒng)姿態(tài)控制參數(shù)設(shè)計(jì)，并通過數(shù)學(xué)仿真和半實(shí)物仿真驗(yàn)證，確保火箭姿態(tài)穩(wěn)定和控制精度滿足任務(wù)要求。

智能導(dǎo)航讓飛行不再“迷路”

長七A 采用的適應(yīng)典型故障模式的制導(dǎo)控制技術(shù)相當(dāng)于給火箭裝上了智能導(dǎo)航，而且從二級飛行段開始應(yīng)用，讓其在飛行中不再“迷路”。

據(jù)研制人員介紹，世界上導(dǎo)致火箭飛行失利的原因中，動力系統(tǒng)故障就占了50%左右。傳統(tǒng)火箭控制系統(tǒng)按照小偏差模式進(jìn)行設(shè)計(jì)，無法適應(yīng)動力故障等大偏差工況，火箭一遇到諸如“感冒發(fā)燒”等小病，后果往往是不堪設(shè)想。

如何在火箭發(fā)生故障條件下通過控制系統(tǒng)自適應(yīng)來實(shí)現(xiàn)火箭的“起死回生”，成為了近些年的熱點(diǎn)話題。

研制團(tuán)隊(duì)在傳統(tǒng)控制方面的基礎(chǔ)上，從長七A 火箭的二級飛行段便開始應(yīng)用更加智能的迭代制導(dǎo)方法來適應(yīng)大偏差干擾的影響，并針對大量的動力系統(tǒng)故障進(jìn)行適應(yīng)性設(shè)計(jì)，有效提高了火箭適應(yīng)故障的能力。

拿汽車駕駛來比喻，相當(dāng)于以往火箭沒有導(dǎo)航且只能沿一條路徑前行，一旦出現(xiàn)異常就很危險(xiǎn)。

正因?yàn)殚L七A 火箭有了智能導(dǎo)航能力，偏離路線后可重新尋找最優(yōu)路徑，只要推進(jìn)劑足夠就可以抵達(dá)目的地。此項(xiàng)技術(shù)的應(yīng)用具有重要意義，使我國火箭控制技術(shù)達(dá)到國際先進(jìn)水平。

助推不分離 芯級不搖擺

傳統(tǒng)設(shè)計(jì)理念中，火箭的助推器主要實(shí)現(xiàn)助推的功能，工作時間較短，推進(jìn)劑用完后便與芯一級分離。

在研制長七A 火箭的過程中，設(shè)計(jì)師大膽設(shè)想、小心求證，提出并應(yīng)用了助推不分離的方案。通過采取優(yōu)化芯級和助推的加注量、調(diào)整發(fā)動機(jī)工作時序、芯一級發(fā)動機(jī)固定、調(diào)整一二級反推火箭位置等措施，大幅降低了長七A 火箭分離系統(tǒng)的復(fù)雜度，減少了分離火工品數(shù)量和伺服機(jī)構(gòu)數(shù)量，提升了火箭的可靠性和經(jīng)濟(jì)性。

該項(xiàng)技術(shù)在國際上是首次應(yīng)用，同時也為火箭未來的集束式回收奠定了基礎(chǔ)，意義非凡。

長七A 火箭采用了哪些先進(jìn)理念、方法？

長七A 火箭作為長七火箭的一個改進(jìn)型，絕非僅僅在長七火箭上面加個三級那么簡單。

通用化 系列化 組合化

長七A 火箭的成功研制是新一代運(yùn)載火箭“通用化、系列化、組合化”設(shè)計(jì)理念的具體實(shí)踐。

因?yàn)殚L七火箭主要執(zhí)行太陽同步軌道發(fā)射任務(wù)，要想執(zhí)行地球同步轉(zhuǎn)移軌道任務(wù)，需要增加一個末級。長三甲系列火箭的末級更適合中型火箭，而且長三甲系列火箭的三子級已經(jīng)經(jīng)受了100 多次飛行考核。

如果長征七號運(yùn)載火箭是基本型，那么長七A 火箭就是它最大最全的一個構(gòu)型。長七A 火箭包含了4 個2.25米直徑的助推模塊，以及3.35 米直徑的芯一級、3.35 米直徑的芯二級和3米直徑的芯三級。這意味著，長征七號A 火箭的發(fā)射成功，可以逐步通過做減法，進(jìn)一步衍生出其它構(gòu)型。

由于基礎(chǔ)模塊相同，很多火箭的零件從組件到艙段再到貯箱等，都實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品化，在后續(xù)進(jìn)行模塊生產(chǎn)和組裝過程中，生產(chǎn)的速度能夠大幅提升，生產(chǎn)的成本能夠大幅降低，生產(chǎn)的效率也能夠大幅提高。

雖然長七火箭與長三甲系列火箭為長七A 火箭的研制打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)，但是火箭的研制就像人的身體一樣，需要各種血管、神經(jīng)、肌肉等緊密連在一起，才能實(shí)現(xiàn)有機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)。

長征七號A 火箭研制過程中，設(shè)計(jì)師隊(duì)伍進(jìn)行了詳細(xì)、全面的再分析、再策劃。長七A 在充分繼承長七火箭、長三甲系列火箭成熟模塊的基礎(chǔ)上，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)、開展了幾十項(xiàng)驗(yàn)證試驗(yàn)。

規(guī)范化 科學(xué)化 精細(xì)化

除了試驗(yàn)以外，長七A 火箭研制隊(duì)伍按照航天領(lǐng)域管理的最新質(zhì)量標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了全面周密的策劃。研制隊(duì)伍將長征七號A 運(yùn)載火箭當(dāng)做一個全新的火箭來看待，進(jìn)行了詳細(xì)的可靠性設(shè)計(jì)分析。對照各類專項(xiàng)，進(jìn)行全面的設(shè)計(jì)和檢查。

據(jù)了解，長七A 火箭以發(fā)射場流程精細(xì)化為抓手，在借鑒已有經(jīng)驗(yàn)的基礎(chǔ)上，做了更進(jìn)一步的探索，把底層的崗位作業(yè)指導(dǎo)書與頂層的質(zhì)量確認(rèn)制工作結(jié)合在一起，不斷推進(jìn)工作規(guī)范化、科學(xué)化、精細(xì)化開展。

火箭進(jìn)入了發(fā)射場后，研制隊(duì)伍針對保留工序和測試覆蓋性等各類工序也相繼開展了工作，確保火箭在最后一個階段的研制流程能夠把工作做細(xì)、做實(shí)，確保用具體的數(shù)據(jù)來證明火箭的健康情況，確保火箭點(diǎn)火以后能夠順利起飛、圓滿成功。★