張衛(wèi)東 楊赧 楊帆（上海航天技術(shù)研究院）

1 概述

為填補(bǔ)新一代運(yùn)載火箭型譜空白，優(yōu)化新一代運(yùn)載火箭能力臺階，推動運(yùn)載火箭更新?lián)Q代，我國立項(xiàng)研制了長征六號改中型運(yùn)載火箭系列。火箭采用通用化、系列化、模塊化的設(shè)計(jì)理念，通過捆綁不同數(shù)量固體助推器、通用芯級實(shí)現(xiàn)系列化型譜覆蓋。其中，長征六號甲運(yùn)載火箭是長征六號改中型運(yùn)載火箭系列的基本型和優(yōu)先發(fā)展型，主要用于近地軌道（LEO）和太陽同步軌道（SSO）發(fā)射任務(wù)，其近地軌道載荷運(yùn)載能力為8t以上，太陽同步軌道載荷運(yùn)載能力為4t以上。

作為我國首款固液捆綁運(yùn)載火箭，長征六號甲運(yùn)載火箭突破了總體優(yōu)化設(shè)計(jì)、全箭力熱環(huán)境預(yù)示、2m直徑分段式固體發(fā)動機(jī)、固體助推捆綁連接與分離、固液捆綁火箭聯(lián)合姿態(tài)控制及高可靠連接器等關(guān)鍵技術(shù)，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(tài)穩(wěn)定控制、兩段式固體發(fā)動機(jī)長時(shí)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(yùn)載火箭采用兩級半構(gòu)型，捆綁4臺固體助推器。全箭總長50m，起飛推力720t，起飛質(zhì)量530t。一子級直徑3.35m，采用2臺推力120t的YF-100GAII液氧/煤油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)雙向搖擺提供控制力矩，氧箱在上，采用自生增壓方案，煤油箱在下，采用常溫氦氣增壓方案。二子級直徑3.35m，采用1臺推力18t的YF-115GIA液氧/煤油發(fā)動機(jī)，發(fā)動機(jī)雙向搖擺提供控制力矩，氧箱在上，采用自生增壓方案，煤油箱在下，采用常溫氦氣增壓方案。二子級配置獨(dú)立的輔助動力系統(tǒng)，完成主機(jī)飛行段滾動通道控制、末速修正、滑行段調(diào)姿等任務(wù)。

火箭捆綁4枚直徑2m的固體助推器，采用丁羥推進(jìn)劑。單枚助推器采用1臺推力120t的FG-112分段式固體發(fā)動機(jī)，采用全向搖擺的柔性噴管和機(jī)電伺服系統(tǒng)，參與全箭姿態(tài)控制。助推器通過前、后捆綁連接裝置實(shí)現(xiàn)與芯級的連接，通過側(cè)推火箭實(shí)現(xiàn)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(wèi)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。采用旋轉(zhuǎn)分離方案，分離能源為彈簧推力器。整流罩采用全透波復(fù)合材料，可滿足衛(wèi)星測試期間全向遠(yuǎn)程通信需求。根據(jù)衛(wèi)星尺寸，可選擇配套不同直徑和不同長度的衛(wèi)星整流罩。

全箭采用芯級尾段四點(diǎn)支承、后捆綁主傳力的支承和傳力方案。

長征六號甲運(yùn)載火箭布局圖

3 主要技術(shù)特點(diǎn)

長征六號甲運(yùn)載火箭芯級采用液氧/煤油發(fā)動機(jī)，助推器采用固體發(fā)動機(jī)，可以充分發(fā)揮固體發(fā)動機(jī)推力大、液體發(fā)動機(jī)比沖高的技術(shù)優(yōu)勢。其中，固體助推發(fā)動機(jī)為國內(nèi)首次采用的兩段式構(gòu)型，裝藥量為58t，工作時(shí)間為115s，屬國內(nèi)最長工作時(shí)間。

火箭在國內(nèi)首次采用270V、20kW高壓大功率電動伺服系統(tǒng)，控制固體發(fā)動機(jī)噴管擺動，實(shí)現(xiàn)固液捆綁火箭芯級和助推器聯(lián)合搖擺控制，解決了并聯(lián)固體助推發(fā)動機(jī)推力不平衡、關(guān)機(jī)不同步的控制問題。

同時(shí)，設(shè)置了芯一級發(fā)動機(jī)健康診斷系統(tǒng)，芯一級液體發(fā)動機(jī)點(diǎn)火過程出現(xiàn)異常時(shí)，自動實(shí)施緊急關(guān)機(jī)，提高了發(fā)射安全性。低溫推進(jìn)劑加注后，前端無人值守，提高了發(fā)射場使用安全性和故障應(yīng)對能力。

固體助推捆綁與分離技術(shù)

固體助推捆綁分離機(jī)構(gòu)與液體助推捆綁分離機(jī)構(gòu)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(shí)踐上仍存在較大差別。

長征六號甲運(yùn)載火箭采用后主傳力方案，助推器側(cè)主捆綁點(diǎn)位于固體發(fā)動機(jī)筒段，無法利用內(nèi)部空間設(shè)計(jì)插入式結(jié)構(gòu)，且助推器與芯級對接時(shí)為滿藥狀態(tài)，質(zhì)量遠(yuǎn)超未加注的液體助推器，捆綁裝置設(shè)計(jì)上需具備更大的變形補(bǔ)償能力。固體助推器在解鎖時(shí)刻還存在部分后效推力，所處的力學(xué)環(huán)境更為復(fù)雜，需考慮各種干擾的影響。

在充分調(diào)研、優(yōu)選論證的基礎(chǔ)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(diǎn)連接解鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、驗(yàn)證試驗(yàn)（結(jié)構(gòu)產(chǎn)品靜力試驗(yàn)、火工品研制及鑒定試驗(yàn)等）；考慮固體發(fā)動機(jī)后效、推力線偏斜等偏差工況，對助推器分離進(jìn)行仿真分析和復(fù)核復(fù)算，確保設(shè)計(jì)正確；固體助推器連接解鎖裝置最終設(shè)計(jì)狀態(tài)通過了芯級與助推捆綁結(jié)構(gòu)的聯(lián)合靜力試驗(yàn)考核；還建造了固體助推器分離試驗(yàn)系統(tǒng)，成功進(jìn)行了3次助推器地面分離試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果與分離仿真計(jì)算匹配性好，驗(yàn)證了助推器分離方案的正確性。

固體捆綁火箭姿態(tài)控制技術(shù)

火箭飛行姿態(tài)穩(wěn)定是方案設(shè)計(jì)可行性的重要組成部分。液體芯級捆綁固體助推器后，為確保姿態(tài)穩(wěn)定，要求助推器和芯級同時(shí)參與全箭的穩(wěn)定控制，為此需要建立精確的姿態(tài)動力學(xué)模型，同時(shí)對固體發(fā)動機(jī)推力不同步、工作時(shí)間偏差、關(guān)機(jī)不同步等情況進(jìn)行分析，全面評估其對姿控系統(tǒng)的影響，確定合理的發(fā)動機(jī)擺動方案；火箭需要研究兩種固液“發(fā)動機(jī)-伺服系統(tǒng)”回路的動態(tài)特性和彈性模態(tài)耦合情況下的姿態(tài)控制方法，完成控制器及校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)，最終通過頻域、時(shí)域仿真，驗(yàn)證方案的可行性。

長征六號甲運(yùn)載火箭助推器分離試驗(yàn)

根據(jù)長征六號甲運(yùn)載火箭特點(diǎn)，開展了固液捆綁火箭聯(lián)合搖擺姿態(tài)控制關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)工作，主要是三通道耦合性分析和聯(lián)合搖擺控制分配方案設(shè)計(jì)。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(yōu)勢度較好，可以基于主對角元完成姿控設(shè)計(jì)；提出了合理可行的三通道控制方案，包括芯助分配、伺服機(jī)構(gòu)控制分配。

火箭最終完成了穩(wěn)定控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)并通過仿真驗(yàn)證，仿真結(jié)果表明，聯(lián)合搖擺控制方案正確，網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)結(jié)果合理；針對4臺固體發(fā)動機(jī)推力不同步的問題，從起飛漂移、控制能力兩方面完成姿態(tài)控制影響分析，滿足指標(biāo)要求。

無人值守技術(shù)

為實(shí)現(xiàn)無人值守目標(biāo)，進(jìn)一步提高火箭發(fā)射自動化水平和可靠性，提高故障狀態(tài)處置的安全性和快速響應(yīng)能力，從發(fā)射流程統(tǒng)籌考慮，火箭開展了液氧加注后前端無人值守的全系統(tǒng)設(shè)計(jì)。

火箭在國內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)芯一級液氧、煤油加泄連接器自動對接、自動脫落技術(shù)；芯二級液氧、煤油加泄連接器和整流罩空調(diào)送風(fēng)連接器起飛零秒自動脫落技術(shù)。

芯一級加泄連接器能夠?qū)崿F(xiàn)全自動對接、自動脫落回收、脫落回收后再次自動對接功能。采用設(shè)置于發(fā)射臺上的尾部服務(wù)裝置實(shí)現(xiàn)了連接器脫落回收后對起飛燃?xì)饬鞯姆雷o(hù)功能，可根據(jù)需要適應(yīng)不同的發(fā)射流程。

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

長征六號甲火箭零秒連接器脫落

4 后續(xù)發(fā)展展望

長征六號甲運(yùn)載火箭首飛成功，后續(xù)將作為我國主力運(yùn)載火箭用于近地軌道和太陽同步軌道的“一箭一星”及“一箭多星”發(fā)射任務(wù)，滿足各類航天器按需發(fā)射的迫切需求。

按照統(tǒng)籌規(guī)劃、分布實(shí)施的原則，在研制長征六號甲運(yùn)載火箭的同時(shí)，我國已同步開展長征六號改系列火箭其他構(gòu)型研制工作。根據(jù)不同發(fā)射任務(wù)的要求，通過基礎(chǔ)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(fā)射任務(wù)，多款構(gòu)型后續(xù)將陸續(xù)投入應(yīng)用。