「技術·航天」長征六號甲運載火箭及其技術特點

星光的遠征tel 發佈 2022-06-27T04:07:21.754482+00:00

轉載自《國際太空》2022年第6期,作者/張衛東、楊赧、楊帆(上海航天技術研究院)1 概述 為填補新一代運載火箭型譜空白,優化新一代運載火箭能力台階,推動運載火箭更新換代,我國立項研製了長征六號改中型運載火箭系列。

轉載自《國際太空》2022年第6期,作者/張衛東、楊赧、楊帆(上海航天技術研究院)


1 概述

為填補新一代運載火箭型譜空白,優化新一代運載火箭能力台階,推動運載火箭更新換代,我國立項研製了長征六號改中型運載火箭系列。火箭採用通用化、系列化、模塊化的設計理念,通過捆綁不同數量固體助推器、通用芯級實現系列化型譜覆蓋。其中,長征六號甲運載火箭是長征六號改中型運載火箭系列的基本型和優先發展型,主要用於近地軌道(LEO)和太陽同步軌道(SSO)發射任務,其近地軌道載荷運載能力為8t以上,太陽同步軌道載荷運載能力為4t以上。

作為我國首款固液捆綁運載火箭,長征六號甲運載火箭突破了總體優化設計、全箭力熱環境預示、2m直徑分段式固體發動機、固體助推捆綁連接與分離、固液捆綁火箭聯合姿態控制及高可靠連接器等關鍵技術,解決了固體助推器的可靠連接與安全分離、飛行過程中的姿態穩定控制、兩段式固體發動機長時間可靠工作及前端無人值守等難題。

2 火箭總體情況

長征六號甲運載火箭採用兩級半構型,捆綁4台固體助推器。全箭總長50m,起飛推力720t,起飛質量530t。一子級直徑3.35m,採用2台推力120t的YF-100GAII液氧/煤油發動機,發動機雙向搖擺提供控制力矩,氧箱在上,採用自生增壓方案,煤油箱在下,採用常溫氦氣增壓方案。二子級直徑3.35m,採用1台推力18t的YF-115GIA液氧/煤油發動機,發動機雙向搖擺提供控制力矩,氧箱在上,採用自生增壓方案,煤油箱在下,採用常溫氦氣增壓方案。二子級配置獨立的輔助動力系統,完成主機飛行段滾動通道控制、末速修正、滑行段調姿等任務。

火箭捆綁4枚直徑2m的固體助推器,採用丁羥推進劑。單枚助推器採用1台推力120t的FG-112分段式固體發動機,採用全向搖擺的柔性噴管和機電伺服系統,參與全箭姿態控制。助推器通過前、後捆綁連接裝置實現與芯級的連接,通過側推火箭實現與芯級的分離。

火箭整流罩直徑有3.8m/4.2m/5.2m等尺寸系列。遙一(Y1)箭衛星整流罩直徑4.2m,長11m,由球頭、馮卡門段、筒段、倒錐段組成,橫向通過爆炸螺栓連接解鎖,縱向通過線性裝置和爆炸螺栓連接解鎖。採用旋轉分離方案,分離能源為彈簧推力器。整流罩採用全透波複合材料,可滿足衛星測試期間全向遠程通信需求。根據衛星尺寸,可選擇配套不同直徑和不同長度的衛星整流罩。

全箭採用芯級尾段四點支承、後捆綁主傳力的支承和傳力方案。

3 主要技術特點

長征六號甲運載火箭芯級採用液氧/煤油發動機,助推器採用固體發動機,可以充分發揮固體發動機推力大、液體發動機比沖高的技術優勢。其中,固體助推發動機為國內首次採用的兩段式構型,裝藥量為58t,工作時間為115s,屬國內最長工作時間。火箭在國內首次採用270V、20kW高壓大功率電動伺服系統,控制固體發動機噴管擺動,實現固液捆綁火箭芯級和助推器聯合搖擺控制,解決了並聯固體助推發動機推力不平衡、關機不同步的控制問題。同時,設置了芯一級發動機健康診斷系統,芯一級液體發動機點火過程出現異常時,自動實施緊急關機,提高了發射安全性。低溫推進劑加注後,前端無人值守,提高了發射場使用安全性和故障應對能力。

固體助推捆綁與分離技術

固體助推捆綁分離機構與液體助推捆綁分離機構雖然在功能和載荷條件上有一定的相似之處,但在具體的工程實踐上仍存在較大差別。

長征六號甲運載火箭採用後主傳力方案,助推器側主捆綁點位於固體發動機筒段,無法利用內部空間設計插入式結構,且助推器與芯級對接時為滿藥狀態,質量遠超未加注的液體助推器,捆綁裝置設計上需具備更大的變形補償能力。固體助推器在解鎖時刻還存在部分後效推力,所處的力學環境更為複雜,需考慮各種干擾的影響。

在充分調研、優選論證的基礎上,火箭確定了固體助推分離方案和分離策略,完成主輔捆綁點連接解鎖機構的設計、驗證試驗(結構產品靜力試驗、火工品研製及鑑定試驗等);考慮固體發動機後效、推力線偏斜等偏差工況,對助推器分離進行仿真分析和覆核復算,確保設計正確;固體助推器連接解鎖裝置最終設計狀態通過了芯級與助推捆綁結構的聯合靜力試驗考核;還建造了固體助推器分離試驗系統,成功進行了3次助推器地面分離試驗,試驗結果與分離仿真計算匹配性好,驗證了助推器分離方案的正確性。

固體捆綁火箭姿態控制技術

火箭飛行姿態穩定是方案設計可行性的重要組成部分。液體芯級捆綁固體助推器後,為確保姿態穩定,要求助推器和芯級同時參與全箭的穩定控制,為此需要建立精確的姿態動力學模型,同時對固體發動機推力不同步、工作時間偏差、關機不同步等情況進行分析,全面評估其對姿控系統的影響,確定合理的發動機擺動方案;火箭需要研究兩種固液「發動機-伺服系統」迴路的動態特性和彈性模態耦合情況下的姿態控制方法,完成控制器及校正網絡的設計,最終通過頻域、時域仿真,驗證方案的可行性。

根據長征六號甲運載火箭特點,開展了固液捆綁火箭聯合搖擺姿態控制關鍵技術攻關工作,主要是三通道耦合性分析和聯合搖擺控制分配方案設計。通過多變量頻域分析方法完成了三通道耦合性分析,三通道對角優勢度較好,可以基於主對角元完成姿控設計;提出了合理可行的三通道控制方案,包括芯助分配、伺服機構控制分配。

火箭最終完成了穩定控制系統設計並通過仿真驗證,仿真結果表明,聯合搖擺控制方案正確,網絡設計結果合理;針對4台固體發動機推力不同步的問題,從起飛漂移、控制能力兩方面完成姿態控制影響分析,滿足指標要求。

無人值守技術

為實現無人值守目標,進一步提高火箭發射自動化水平和可靠性,提高故障狀態處置的安全性和快速響應能力,從發射流程統籌考慮,火箭開展了液氧加注後前端無人值守的全系統設計。

火箭在國內首次實現芯一級液氧、煤油加泄連接器自動對接、自動脫落技術;芯二級液氧、煤油加泄連接器和整流罩空調送風連接器起飛零秒自動脫落技術。

芯一級加泄連接器能夠實現全自動對接、自動脫落回收、脫落回收後再次自動對接功能。採用設置於發射台上的尾部服務裝置實現了連接器脫落回收後對起飛燃氣流的防護功能,可根據需要適應不同的發射流程。

芯二級加泄連接器和空調連接器的零秒脫落,由連接器主體結構、懸掛繩索、懸掛固定點、脫落繩索和脫落氣缸等組成。設置牽拉繩索和防回彈繩索,通過多重冗餘保證起飛零秒脫落的可靠性。整流罩空調連接器零秒脫落可為衛星提供全流程的溫濕度保障條件。

4 後續發展展望

長征六號甲運載火箭首飛成功,後續將作為我國主力運載火箭用於近地軌道和太陽同步軌道的「一箭一星」及「一箭多星」發射任務,滿足各類太空飛行器按需發射的迫切需求。

按照統籌規劃、分布實施的原則,在研製長征六號甲運載火箭的同時,我國已同步開展長征六號改系列火箭其他構型研製工作。根據不同發射任務的要求,通過基礎級模塊組合形成系列化覆蓋,完成近地軌道和太陽同步軌道發射任務,多款構型後續將陸續投入應用。

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