十問「長八」,新火箭代表哪些新方向?

2020-12-24 騰訊網

由航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院抓總研製的長徵八號遙一火箭,於2020年12月22日中午在我國海南文昌衛星發射中心成功執行首次飛行任務,將搭載的5顆有效載荷送入512公裡高度的太陽同步軌道(SSO)。

我們整理了10個最引人關注的問題,通過回答它們,來再次了解「長八」。

12月22日,我國長徵八號運載火箭在海南文昌發射,長八起飛直指蒼穹。攝影 南方日報、南方+記者 董天健

1.問:長徵八號火箭有怎樣的立項背景?

答:隨著人類和平利用空間事業迅猛發展,中低軌衛星發射需求越來越旺盛,而目前我國在發射3噸至4.5噸太陽同步軌道(SSO)衛星方面,還缺乏合適的運載工具。利用在役火箭的共用技術和產品,構建新一代中型運載火箭填補太陽同步軌道衛星發射需求空白,顯得尤為急迫。

我國在新一代運載火箭的論證過程中,以液氧煤油和液氫液氧發動機為基礎,提出了新一代大、中、小型運載火箭的發展構想,並通過二十多年的預研和工程研製,成功研製了長徵五號、長徵七號等新一代運載火箭,形成了2.25米、3.35米、5米直徑通用模塊,我國新一代運載火箭形成了「通用化、系列化、組合化」發展的思路。

長徵八號運載火箭採用綠色環保液體推進劑,按照模塊化組合的思路進行研製,充分吸收了在役和新一代運載火箭研製成果,具有良好的繼承性、先進性、適應性和經濟性,可以填補我國太陽同步軌道運載能力空白,滿足未來中低軌高密度發射任務需求。

2.問:「長八」火箭在填補我國太陽同步軌道(SSO)運載能力方面,有哪些具體體現?

答:我國現役常規運載火箭中,主打太陽同步軌道的火箭運載能力為1噸-3噸級;而新一代運載火箭中長徵十一號火箭是固體小火箭,主打快速補網;長徵六號是液體小型運載火箭,太陽同步軌道能力為1噸級;長徵七號火箭是中型火箭,主要負責貨運飛船任務,近地軌道運載能力14噸;長徵五號火箭是大型火箭,主打高軌和深空探測任務;長徵五號B運載火箭主要負責低軌空間站建設,近地軌道運載能力25噸級。

而在太陽同步軌道上,對於3噸級以上,到5噸級左右,缺少一型合適的火箭進行發射。長徵八號火箭能力到5噸級,去掉兩個助推器,能力到3噸級,正好可以填補這個能力區間。

3.問:長徵八號火箭有哪些新技術、新特點?

答:(一)突破基於模塊組合的快速集成設計,推動我國新一代運載火箭模塊化、組合化、系列化發展。

長徵八號運載火箭工程研製遵循「模塊化、系列化、組合化」的發展思路,充分繼承在役型號的產品和技術,借鑑已有的試驗驗證成果,實現型號快速集成研製。基於現有模塊組合開展設計,開創了逆向設計的先河,以模塊產品為約束,採用發動機節流、風修彈道設計、主動減載、載荷精細化等多項技術進行迭代優化閉環,以最小代價、最快時間完成集成研製。

長徵八號火箭是我國首個研製中未開展全箭模態試驗的中大型火箭,採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。通過長徵八號的研製探索,為後續其他大型、重型火箭的模態綜合技術奠定基礎,大幅縮短研製周期、降低研製費用。

(二)突破了大靜不穩火箭主動減載控制技術,同時兼顧提升對故障的適應能力,為結構輕質化、飛行智慧化打下堅實基礎。

長徵八號火箭由於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,採用基於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。

設計了基於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。

(三)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,推進了運載火箭重複使用技術的發展。

長徵八號運載火箭在飛行中對液體火箭發動機進行節流控制,這在我國運載火箭中是首次工程應用。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,將為後續我國一次性運載火箭重複使用技術提前進行相關技術驗證,為我國重複使用運載火箭研製打下堅實基礎。

4.問:這次發射的「長八」火箭為哪種構型?後續「長八」在構型方面還有哪些發展?

答:本次發射的長徵八號火箭,採用芯級捆綁2枚助推器構型,全長約50.3米,起飛質量約356噸,起飛推力約480噸。

火箭芯一級直徑3.35米,配置2臺120噸級YF-100液氧煤油發動機;捆綁兩枚助推器,直徑2.25米,各配置1臺120噸級YF-100液氧煤油發動機;芯二級直徑3米,配置2臺8噸級YF-75氫氧發動機;整流罩直徑4.2米。

後續還將會發展一款融合型的長徵八號火箭,實現電氣一體化、兩平一垂快速發射、提升經濟性的火箭。

5.問:與其他幾型新一代火箭相比,「長八」有什麼特別之處?

答:使命不同:長徵八號火箭立項之初,使命目標就和其他火箭有一定差異,長徵八號火箭更多以市場需求為導向,進行研製,從能力指標、經濟性、可靠性等綜合考慮,實現工程研製的最優;

研製的新模式:長徵八號火箭在研製過程中就踐行了低成本的思路,首飛的產品均為自籌,這與其他新一代火箭的研製完全不同,這也讓設計人員、參試人員真正感覺到這是我們自己的火箭,要為它負責;

高度的適應性:長徵八號火箭立項之初沒有自己的發射工位,首飛也是借用了長徵七號火箭的發射工位,這也要求我們火箭在設計時考慮箭上與地面的兼容性,如何能適應現有的發射工位。而其他火箭的研製,均配套了獨立的發射工位和相關設備。

6.問:「長八」火箭在商業方面有何優勢?

答:性價比高:長徵八號火箭自研製之初,就充分考慮了技術與經濟的一體化,通過包括項目制的嘗試、高繼承性等,降低研發的成本,後續的融合型火箭更是通過提升工藝方法、一體化設計等降低生產成本,降低配套成本,實現火箭的成本有效控制。而且長徵八號火箭本身運載能力達到5噸級,而起飛規模為356噸,運載效率在國內火箭中是名列前茅的,運載能力的提升、成本的下降,必然會帶來很高的性價比。

履約速度快:從籤署發射服務合同到實施發射縮短至一年,如果是組網發射,批量採購,可以實現批量化生產,組網建設周期將進一步縮短;

可靠性高:長徵八號火箭繼承了已有型號的成熟模塊,飛行可靠性經過了充分驗證,而且新一代火箭的研製準則較以往更為合理,可靠性設計考慮得更充分,可以有效保障任務實施的可靠性;

服務意識好:長徵八號火箭研製團隊對市場的重要性有充分認識,自研製之初就表現出了良好的市場意識,積極主動地為衛星、為用戶服務。

7.問:長徵八號火箭的LOGO設計中蘊含了什麼樣的意義?

答:採用紅色和藍色的兩個主體圖樣形成了「8」字,同時紅色為火箭的飛行軌跡,紅色下部用散塊代表火箭尾焰,最下部三行的散塊形成數字「3」,代表我們是繼承了長徵三號甲系列火箭的模塊;藍色代表天際,其中下部採用了深色7條藍帶,代表我們繼承了長徵七號火箭的模塊;「8」字周圍5顆星星代表了本次任務的5顆衛星。

8.問:「長八」火箭未來主要的應用方向有哪些?

答:長徵八號火箭可以完成低中高軌道甚至深空探測等多種任務,可以以一箭一星、一箭多星的形式進行發射,可以承擔低軌衛星網際網路系統組網發射,各類衛星發射等任務。

此次任務,長徵八號火箭已經開展了可重複和智慧化相關技術的驗證,比如對二級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;再如發動機推力調節技術的工程應用,為後續可重複使用的發動機技術進行部分驗證。

在未來發展中,長徵八號火箭同樣會將可重複使用技術、智慧火箭作為發展的重點之一,在飛行中不斷摸索,積累飛行子樣,為中國航天的發展貢獻力量。

9.問:請介紹「長八」火箭譜系化發展的規劃或者前景。火箭為何要進行型譜化發展?型譜化發展有什麼優勢?

答:長徵八號火箭是中國航天科技集團新一代運載火箭型譜中的一員,是完善型譜的重要組成。長徵八號火箭本身也有系列化的補充,通過助推器數量的調整,形成不同的能力。同樣長徵八號火箭自身也在不斷迭代優化提升競爭力。

型譜化發展的優勢是形成不同任務需求的全覆蓋,不管是什麼需求,都能找到最合適的火箭發射。型譜化發展帶來技術上的充分共用,降低研製成本,提升整體的可靠性。

10.問:什麼時候能實現「兩平一垂」?屆時是否是中國所有火箭中最先實現「兩平一垂」的?「兩平一垂」的意義是什麼?

答:融合型長徵八號火箭發射時將實現「兩平一垂」,甚至是「三平」的測發,預計2022年左右實現。

「兩平一垂」概念:水平組裝、水平狀態整體運輸、星罩組合體垂直轉場對接;

「三平」概念:全箭水平組裝、水平測試、水平狀態轉場;

「兩平一垂」乃至「三平」的模式,可以大幅簡化發射場建設規模,尤其是簡化發射區,不再需要規模龐大、組成複雜的塔架,減少建設成本;同時「三平」狀態下有利於簡化測試項目,通過流程優化,可以大幅提升測發速度。

【記者】王詩堃 朱紅鮮 徐勉

【攝影】董天健

(資料來源:中國運載火箭技術研究院)

【作者】 王詩堃;董天健;朱紅鮮;徐勉

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