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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

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长征六号首飞成功   

2015-09-20 13:39:18|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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八院抓总研制的长征六号开启新一代运载火箭新征程!
一箭20星创造我国卫星发射新纪录!


北京时间2015年9月20日,中国在太原卫星发射中心用全新研制的长征六号运载火箭,成功将20颗卫星发射升空,卫星顺利进入预定轨道,开创了我国一箭多星发射的新纪录。这是中国新一代运载火箭的首次发射,标志着我国运载火箭应用进入新纪元,这是长征系列运载火箭在第210次发射。

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开展新一代运载火箭研制,是军工技术服务美丽中国建设、深化生态文明体制改革的重要举措。此举不但提高了我国空间进入能力,实现运载技术跨越式发展,缩小与世界先进国家差距,还实现了我国在大推力、高可靠性、高适应性、低成本、无毒无污染运载火箭领域的关键技术突破,对我国运载火箭后续发展具有里程碑意义。

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长征六号运载火箭由中国航天科技集团公司上海航天技术研究院抓总研制,于2009年8月正式批复立项。火箭全长29米,一级直径3.35米,二、三级直径2.25米,起飞推力1200千牛。长征六号运载火箭采用了全新的总体方案、结构形式、动力系统和电气系统,自主创新成果达几十项。发射可靠性提高到0.98,达到国际先进水平。

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火箭首次采用高压补燃循环无毒无污染液氧煤油发动机、“三平”测发模式,成功突破高精度控制技术、氧箱自增压技术、燃气滚控技术、箭地一体化快速测发技术等一系列关键技术,并按照“通用化、组合化、系列化”的设计思路,可进一步提高运载能力,有效提高国际商业发射市场竞争力,标志着我国在运载火箭现代化、模块化方面迈出了坚实一步。在长征六号研制的基础上,上海航天还将继续开拓创新,研制新一代中型运载火箭,打造长征六号升级版,预计将在“十三五”期间实现首飞。

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参与本次发射任务的卫星分别由中国航天科技集团公司下属东方红卫星有限公司、深圳航天东方红海特卫星有限公司、国防科大、清华大学、浙江大学和哈尔滨工业大学等单位研制,创造了国内单次发射卫星数量之最。为满足多星发射任务要求,各方开展了多轮次的论证和数学仿真,并探索系列化、标准化多星发射接口,为后续单发火箭进行更多数量卫星发射奠定了技术基础。


太空邮差:火箭六六的自述,兄弟不再是传说

听说,现在的航天器都喜欢卖萌耍酷,而始作俑者就是和我系出同门的那只兔子,前两天北斗还出了twins,想想都觉得疯狂啊——不过,这么有意思的事,怎么能少了我呢?更何况咱可是一枚有颜值、有亮点、有内涵、有担当的90后“四有”新火箭啊,和那些总喜欢装酷的前辈大叔们比,咱的帅可是天生的。不信你看看,29米的修长身高,一级3.35米直径,二三级2.25米直径,还有全新的环保液氧/煤油发动机,一体化电气系统,高压引流和电动伺服系统、冯卡门复合材料全透波整流罩,等等等等,由内到外,无处不散发着创新的帅气!

呃,光顾着自拍,忘了自我介绍了——大家好,我是长征六号,中国长征火箭战队的新成员,设计师们都喜欢叫我“六六”。(千万不要误会,和那位网络大V绝对没有关系,只不过恰好小概率有缘地“撞名”了。)作为一枚网络时代诞生的新火箭,听说网上有很多关于哥的传说,可以很负责任地告诉大家,那些都是“据传”“推测”,不太靠谱。设计师们对我管得可严了,说是没有成功之前,不能让我出来和大家见面。

看过我的发射过程,不知大家有没有看大片的感觉?整体运输起竖发射,这可是设计师们为我量身定制的“三平测发”独家秘笈。21世纪,讲求的就是一个速度。现在大家网上购个物,都希望隔天送到,火箭作为运载发射工具,如果能减少准备时间,自然在商业发射中就更受欢迎了。所以我的设计初衷就是当一名快乐的太空邮差,把卫星又快又好地送到太空轨道上。

为了这个目标,我的设计们提出了“三平”的构想。三平,简单地说就是在水平状态下,完成我的整体总装测试、星箭对接和运输起竖。这就可以简化发射区操作时间和塔架上的工作环节,让我在理论上只需要7天就可以完成从准备到发射的所有过程。

躺着完成所有的工作,这可不是一般火箭都能享受的待遇。这里就不得不介绍一下我的爱车了。设计师们从功能出发,叫它自行式整体运输起竖车,但我觉得不够酷,小伙伴们如果有兴趣可以试着给它起个好听的名字。我的私人专车集运输、起竖、发射脐带塔功能于一体,我坐在上面,就可以完成从测试到加注发射的所有流程。而且车子能通过计算机控制实现自动无人驾驶,在发射阵地实现自主导航驾驶及精确定位,三向定位精度误差不超过5毫米。在这个面前,停车入库什么的,简直弱暴了,女司机们赶快都配一套吧!

绿色环保可是当下的主题,作为一枚新生代的暖男火箭,我当然也要为环保做贡献了。设计师们为我选用了我国最新研制的120吨大推力液氧/煤油发动机,这样我就喝上了绿色环保的细粮。不过因为只使用单台发动机,为了保证我的运载能力,设计师们就拼命地为我减肥。比如发动机氧箱自增压技术的应用,就是为了减少额外的增压气瓶以及冗余增压系统而设计的,这个技术将气化后作为燃料的氧气,引出富余部分返回贮箱中,为氧箱进行增压,既简化结构,增加可靠性,也可以大大减轻重量。这在国际上还是首创,为此设计师们可是伤透了脑筋,从方案起步前后经历了4年的攻关试验。不过付出总有回报,仅增压输送系统就申请了16项专利。

为了紧跟国际运载火箭发展的先进水平,在我的设计中,设计师们引入了数字化研发技术和Top-Down设计思想,用时髦的话讲,就是用了工业4.0的技术,从总体到分系统到重要单机进行协同研发及一体化总装集成。而且紧跟国际运载火箭电气系统发展方向,成功应用箭地一体化快速测试技术,实现箭上信息一体化、供配电一体化和地面测发控系统一体化,我的测试系统能实现几百万条大数据信息的实时解析、自动判读,大大提高了可靠性。

实际上,作为首飞的我,可以有效验证我国在大推力、高可靠性、高适应性、无毒无污染运载火箭领域的关键技术突破,具有划时代的意义,对此,我对承担这个任务深感荣幸和自豪。

其实我还有很多亮点,这里就不一一赘述了,有兴趣的可以继续关注我。最后,不得不说说我的设计师们,平均年龄不到35岁,有相貌、有前途,关键是看看他们能把我附带的一房间的测发控设备,整合在5个集装箱大小的方舱内,就知道在整理家务方面也肯定是一把好手,单身的妹纸们可要抓紧了!


三平一快:“开着”火箭去发射

在传统概念中,火箭执行发射任务,都需要分段运输至发射场,再在塔架上完成各子级的垂直吊装总装和测试。现役运载火箭中,唯有执行载人航天发射任务的长征二号F采用了垂直转运模式。而长征六号针对后续卫星发射的需求,在国内运载火箭领域创造性地采用了“三平”测发模式,对现役火箭的测发模式进行了一次彻底的变革。

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所谓“三平”,即“水平整体测试、水平整体星箭对接、水平整体运输起竖发射”。火箭在水平状态下在厂房内完成全箭总装和测试,包括与卫星的对接,同时将整发火箭水平放置于专门研制的自行式整体运输起竖车上,由起竖车将火箭水平运输至发射工位,并完成水平对接、翻转起竖、垂直定位、燃料加注和发射等动作。整个过程一气呵成,大大简化了发射区操作时间和发射台占用时间。按照设计,采用“三平”测发模式的长征六号的发射准备周期仅需7天,有力适应卫星发射低成本、短周期的需求。

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为了适应火箭“三平”测发的需要,设计师们还创新性对地面测发控系统也进行了改进,将各种测试设备集成安装到五个方舱内,形成了一辆移动的“体检车”,车随箭走,大大简化了测发流程,减少设备数量。

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而承载长征六号的自行式整体运输起竖车也是经过了特别设计,集火箭运输、起竖、发射脐带塔功能于一体,火箭稳稳地安坐其上,就完成了从测试到加注发射的所有流程。而且车辆可以实现自动无人驾驶,通过“收集数据-计算位置关系-规划行驶路径-路径执行”的不断循环,能够保证车辆在发射阵地的自主导航驾驶及精确定位,三向定位精度误差不超过5毫米。


绿色环保:开启新一代运载新征程

近年来,世界各国都加大了对新型运载火箭研制的力度,大直径、大运载能力、低成本、高可靠、无污染和易操作等成为后续运载火箭发展的趋势。但同时受越来越旺盛的微小卫星发射需求的牵引,发展经济、灵活、便捷的运载火箭,适应国际商业发射需求,也成为一种发展趋势,长征六号运载火箭由此应运而生。

长征六号运载火箭作为我国新一代运载中第一型投入发射应用的火箭,首次采用了我国最新研制的高压、大推力、无毒、无污染的补燃循环液氧煤油发动机。一级直径3.35米,采用单台最大推力为120吨的液氧/煤油发动机,二、三级直径2.25米,分别采用一台液氧/煤油发动机和一台常规推进剂发动机。火箭起飞推力1200千牛。

为了获得更大的运载能力,长征六号火箭采用了一系列全新的设计方案,独特的发动机氧箱自生增压技术即是一个最大的亮点。火箭飞行中,需要不断对发动机氧箱进行增压,传统设计中,需要额外增加独立的增压气瓶,这样就会增加火箭的重量。自增压方案利用发动机燃气发生器的富余氧气为一级氧箱进行增压,这样就可以为火箭减少12个单独的增压气瓶以及一整套冗余增压系统,可以大大优化火箭总体方案并减少质量隐患。但是该方案从未曾有过应用先例,一开始就受到了专家质疑。为此上海航天组织开展了大量试验和攻关,充分验证方案可行性,并通过热试车有效验证了增压系统的工作性能,仅增压输送系统就申请了16项专利。

此外,长征六号还创造性地使用了发动机燃气滚控系统,利用一级发动机涡轮泵后引出高温高压富氧燃气,与发动机一起对火箭进行滚动姿态控制,保证火箭飞行过程中的姿态稳定,在国际上属于首创。

长征六号的成功发射有效验证了我国在大推力、高可靠性、高适应性、低成本、无毒无污染运载火箭领域的关键技术突破,标志着我国在运载火箭现代化、推进剂无毒化方向迈出了坚实一步,也拉开了我国新一代运载火箭投入使用的序幕。


精准控制:太空实现“上门投递”

 “失之毫厘,差之千里”,从地面将卫星送入几百公里外的地球轨道,飞行过程中的任何一个细微偏差,都可能导致不可挽回的损失。而入轨精度越高,则意味着卫星进行轨道调整所耗费的能量越少,可以有效提高卫星的在轨寿命,这也是考验火箭能力的重要指标。

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火箭的飞行过程看似简单,但需要经历点火发射、级间分离、俯仰偏航、轨道修正、发动机关机及重新点火、载荷分离等一系列复杂动作,如何确保一系列动作的精准控制,这就要仰仗火箭的“神经网络”——控制系统了。

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长征六号紧跟国际运载火箭发展趋势,将控制、测量、供配电组成了全新的电气系统,实现了箭上信息一体化、供配电一体化和地面测发控系统一体化,有效提高了火箭电气系统的先进性、可靠性与适应性。在控制系统中,采用了双八表捷联惯组组合导航技术和迭代制导技术,综合利用地面测控网、导航星座系统和中继卫星,实现天基测控和地基测控相结合,在火箭飞行过程中对火箭状态进行实时测量,实现更高的导航精度,确保卫星入轨精度达到百米级,实现了点对点的投放,达到国际先进水平。


工艺革新:航天“智造”迈向4.0
2015-09-20 上海航天

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紧跟国际先进水平,长征六号在设计中采用了全箭数字化协同研发及一体化总装集成技术,引入数字化研发技术和Top-Down设计思想,形成了从总体到分系统到重要单机、自顶向下的数字化设计流程,建立覆盖总体、分系统及关键单机的三维数字样机,替代实物模装,大大降低了研制成本。如果说将理论转化为设计,考验的是设计师的智慧,那将设计转化为实物,考验的则是能力。

由于长征六号运载火箭一级采用了单台120吨液氧煤油发动机,在推力既定的情况下,如何保证火箭的运载能力,减重是唯一的选择。为了更好地降低火箭自身重量,长征六号运载火箭首次采用了大温差隔热复合材料夹层共底贮箱。由于长征六号使用的液氧/煤油发动机,贮箱采用夹层共底结构形式,就意味着夹层共底要承受液氧、煤油两个独立系统的正压、反压载荷,同时还要抵抗液氧和煤油之间将近200度的温差。试验、改进、研制……16个月, 22个贮箱,六次低温加注、强度试验,最终攻克了夹层共底研制难题,并掌握了激光扫描及仿形加工、结构件整体胶接成型等关键制造技术。
 
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研制中的另一道难关,就是低温阀门的研制了。工作环境的温差变化容易造成阀门产品的收缩、膨胀变形,从而影响气密。液氧温度低至-183℃,作为火箭管路中的关键部件,阀门必须适应从-196℃到50℃的大温度跨差工况要求,这就对阀门的原材料选型、零件机加工精度、装配试验维护等等产生了一些列的影响。长征六号的低温阀门有40多种、90余件,零件生产的精度有的要比常温阀门精确上10倍。为了将在温度变化情况下的变形减到最小,技术人员开展了为期10个月艰苦卓绝的攻关和试验,最终攻克难关,掌握了低温阀门研制技术。

通过长征六号的研制,上海航天还掌握了高精度膜片贮箱制造加工、高压引流伺服系统、低温静力试验技术等一大批自主关键技术,有力推动了航天制造技术的快速发展,并带动了一大批工艺技术的改进。


回眸研制历程,新一代运载火箭从这里腾飞

2015年9月20日,太原卫星发射中心,我国新一代运载火箭的首飞箭长征六号运载火箭成功发射,并将20颗卫星送入预定轨道。自2009年正式批复立项至今, 6年的研制攻关路,记录的是我国新一代运载火箭从无到有、不断跨越的艰辛历程。

从零开始绘蓝图

1970年长征一号发射成功以来,多年的技术发展,我国已经形成相对完备的运载火箭型谱,具备了完整的独立进入空间的能力。进入上世纪90年代后,世界各国都开始投入新型运载火箭的研制之中,进一步提高火箭可靠性、降低发射成本、提升运载能力成为新型火箭的发展趋势。与此同时,我国也提出了发展新一代运载火箭的设想。

2008年7月,中国航天科技集团公司明确,由上海航天技术研究院组织开展新型液体运载火箭的研制工作,长征六号的研制由此拉开了序幕。

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对于研制团队而言,这无疑是一个极为令人振奋的消息——当时国内已近20年未开展新型火箭的研制,能从事一个全新型号的研制,无疑是每一个火箭人都梦寐以求的事。但紧随而来的,却是前行路上的重重困难——火箭与现有的长征系列火箭有着很大的差异——全新的动力系统、更高的安全可靠性要求、低成本发射控制要求、短周期发射要求……在没有成熟经验参考的情况下,创新,就是唯一的出路。

发动机自生增压系统、燃气滚控、“三平”测发、复合材料夹层共底贮箱、新型电气系统……一个又一个大胆的设想在一轮轮通宵达旦的讨论中不断地被提出。研讨、改进、论证,再研讨、再改进、再论证、再讨论……终于,半年不到的时间,就完成了火箭优化方案,解决了运载能力、测发流程、整体起竖可行性、火箭可控性、新型结构方案等几大难题,总体技术指标满足了立项要求。

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2009年8月总装备部正式批复立项,命名该型火箭为长征六号运载火箭,代号CZ-6。从此上海航天抓总研制的新一代液体运载火箭有了自己的名字,在中国的长征系列运载火箭家族中拥有了自己的位置。

难忘三次热试车

参照国际运载火箭的发展方向,长征六号选用了新研制的高比冲、大推力、无毒液氧煤油发动机作为主要动力。为保证火箭的运载能力和可靠性,优化总体构型,尽量简化系统就成为设计师们考虑的首要问题。

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综合各种因素,设计师们提出在发动机增压输送系统中采用含有一定杂质的氧箱自生增压技术,来实现发动机氧箱的内部增压。这个方案一经提出,就面临着来自各方的重大分歧。有专家建议采用氦气加温增压方案,但团队则坚持采用更具创新性、技术性和经济性的自生增压方案。

相对而言,自生增压方案可取消一整套氦气增压系统,优化火箭总装方案,同时有效提升火箭运载能力。但是由于自生增压气体中含有微量杂质气体,可能对阀门和发动机造成影响,而且这在世界上尚无可借鉴的成功案例,使得自生增压方案的使用显得困难重重。

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面对诸多质疑,研制团队没有动摇,而是迅速组织队伍开展自生增压技术攻关,详细分析杂质气体对增压输送系统的影响,并开展消除措施的有效性验证。随后根据发动机试车数据及总体参数,进行自增压方案论证、增压计算、对比分析,并最终确定了设计方案。

2012年11月,火箭迎来研制历程中最关键的一个考验——一子级热试车。这不仅要考核火箭的增压输送系统和发动机,还包括控制系统、测量系统和附加系统,对火箭而言具有里程碑式的重要意义。伴随着震耳欲聋的声响和发动机尾焰蒸腾出的滚滚水汽,短短170 秒,增压输送系统全程增压正常,控制系统按预定程序发出控制指令,伺服机构双向摆角1.6度,燃气滚控按预定程序完成6次打开关闭, 101试车台20年来的首次热试车圆满成功。随后2013年4月,二子级热试车试验成功;2013年7月,三子级热试车试验成功,三次热试车的圆满完成,为长征六号首飞奠定了扎实的基础,也充分验证了自增压技术的可行性。

神箭腾飞谱新篇

2013年9月,火箭正式转入试样研制阶段,与此同时,研制团队进驻太原卫星发射中心,开展整箭发射场合练,为最后的发射做准备。

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发射场合练,通俗地讲,就是按照火箭发射的流程进行一次完整的实地演练。这也是长征六号在基地的首次亮相,新型号、新工位、新设备、新队伍、新流程、新状态、新技术,一切都是从头开始,一切必须细细磨合。

推进剂加注,是发射场合练试验中最主要的考核项目之一,虽说基地在常规推进剂加注方面已经有较成熟的经验,但液氧煤油加注系统却是首次与运载火箭见面。每一个过程都经过再三的论证,每一步都小心翼翼,甚至为了加注过程中的一个细节,各方争得面红耳赤,但大家的目标是一致的,就是确保每一个流程、每一个环节都万无一失。2013年12月,合练任务圆满完成,为长征六号的发射积累了一整套完备的数据和流程。

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2015年7月,长征六号Y1箭产品正式出厂,9月20日,火箭发射圆满成功。长征六号的成功发射,有效的解决了原有长征系列运载火箭存在的生产发射周期长等不足。并且长征六号运载火箭采用了与新一代长征五号、长征七号运载火箭基本相同的动力系统和电气系统,它的发射成功将标志着我国在运载火箭现代化、推进剂无毒化方向迈出了坚实一步,并将推动多星发射装置系列化、标准化的发展,也拉开了我国新一代运载火箭投入使用的序幕。

摘自上海航天局微信公众号【长六特刊】
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