固液混動　信步蒼穹

張蕾

2022年3月29日，由中國航天科技集團八院抓總研制的我國首型固體捆綁運載火箭長征六號改（以下簡稱“長六改”）在太原衛星發射中心點火升空，成功將兩顆衛星送入預定軌道。

回顧我國運載火箭發展史，長征系列運載火箭已邁入400+發射的嶄新征程，但尚未有固體捆綁火箭的先例。作為我國新一代同時也是首型“混合動力”長征系列運載火箭，長六改在技術難度高、系統復雜的航天領域也算是“玩”了一把跨界，充分發揮液體發動機性能高、工作時間長和固體發動機推力大、工作可靠、使用維護簡單的綜合優勢，進一步完善了運載火箭型譜，大幅提升了我國進入、利用和探索空間的能力。

固體發動機推力大、簡單可靠的特點，在長六改上體現得淋漓盡致。據中國航天科技集團八院長六改總指揮洪剛介紹，長六改的芯一級捆綁了4臺以固體燃料為動力的助推器，單枚助推推力可達120噸，刷新了長征系列運載火箭的最快“起跑”紀錄。同時，借助固體發動機結構相對簡單、部組件少、可靠性高、操作維護方便、貯存時間長的優勢，長六改箭上的管路系統減少了55%，可在發射場直接安裝固體助推器，實現捆綁火箭14天快速發射。

不過，如此一枚“硬漢”，并非我們想象中的“糙漢”。“為了克服在飛行過程中固液發動機聯合工作帶來的復雜力和熱環境，我們建立了全面完整的捆綁火箭力學環境條件設計方法體系和氣固兩相噴流底部熱環境預示模型，并在國內首次定量描述了聲致振動特性，通過精準預示和控制措施，有效確保了衛星‘乘客’的乘坐舒適性。”中國航天科技集團八院長六改總設計師張衛東說。

據悉，長六改的捆綁連接解鎖裝置屬于“前端輔助傳力+后端主傳力”，相當于利用“肩扛+托舉”兩種力量連接起助推器與芯級。為了進一步優化結構重量，研制團隊打造了一款輕量化捆綁連接解鎖裝置，在運載火箭停放和飛行階段下，可承受并有效傳遞軸向和徑向載荷。

不過，完成“使命”后，助推器與芯級安全分離，是捆綁火箭飛行過程中最關鍵的分離程序之一。“為了確保在惡劣的力熱環境、發動機后效推力、氣動阻力等復雜干擾情況下，助推器與芯級能夠安全分離，研制團隊合理選擇分離動力源并優化布局，結合分離時序等設計，消除了眾多干擾因素對分離的影響，確保助推器分得開、分得穩。”據洪剛講，在研制階段，長六改成功實施3次固體助推捆綁地面分離試驗，進一步驗證了助推分離技術方案的有效性。

在飛行過程中，長六改的芯級與助推器發動機都要擺動，共同控制火箭的姿態。由于固液兩種發動機的特點和伺服機構的動態特性不同，芯級與助推器之間勢必存在干擾，給火箭的穩定飛行帶來不利影響。為此，研制團隊創新性地采用聯合搖擺控制方案，通過優化不同飛行階段的擺角分配，克服了長六改在飛行過程中受到的諸多干擾，讓火箭能夠“優雅端莊”地信步蒼穹。

在固體助推器分離的瞬間，失去了大推力固體發動機的加持，長六改可能面臨“空中大剎車”的危險。怎么辦？研制團隊想出了妙招——助推分離前，讓火箭控制系統智能監測固體發動機的工作狀態，將整箭控制策略從最初的聯合擺動控制平穩過渡到芯級單獨控制，從而最大限度地保證了火箭拋掉助推前后的穩定飛行。