文/部軒

2022年12月7日9時(shí)15分，快舟十一號(hào)固體火箭在我國酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)火升空，成功將行云交通VDES試驗(yàn)衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。這標(biāo)志著快舟火箭已初具型譜化格局，有力提升了低成本快速進(jìn)入空間能力，對我國固體火箭航天運(yùn)輸系統(tǒng)快速發(fā)展具有重大而深遠(yuǎn)的意義。

▲ 快舟十一號(hào)火箭點(diǎn)火升空

▲ 2款快舟火箭模型亮相2022年珠海航展

▲ 快舟十一號(hào)火箭飛向蒼穹

“走一條別人沒走過的路”

中國航天科工航天三江對小型固體火箭的研發(fā)可以追溯到10年前。當(dāng)時(shí)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)敏銳地洞察到，固體火箭具備成本低、可靠性高、保障要求低、快速發(fā)射能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)等星座快速部署、批量發(fā)射的需求，將成為支撐航天強(qiáng)國建設(shè)的重要發(fā)展方向之一。

早在2012年，航天三江便成功完成了快舟一號(hào)固體火箭的方案飛行試驗(yàn)，并在接下來的2013年、2014年采用國際首創(chuàng)的星箭一體化技術(shù)，成功完成2次飛行試驗(yàn)，將快舟一號(hào)、快舟二號(hào)衛(wèi)星準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道，創(chuàng)造了中國航天發(fā)射的最快紀(jì)錄。

2017年，快舟一號(hào)甲固體火箭應(yīng)運(yùn)而生，至今已完成18次飛行任務(wù)，保持著常態(tài)化發(fā)射。為進(jìn)一步提升我國快速進(jìn)入空間的能力，航天三江在成功研制快舟一號(hào)固體火箭的同時(shí)，從2014年開始了快舟十一號(hào)固體火箭的科研攻關(guān)。

“要走一條創(chuàng)新的路，走一條別人沒有走過的路。唯有如此，快舟火箭才能在一眾火箭中脫穎而出。”研制之初，快舟系列火箭總設(shè)計(jì)師梁總對研發(fā)團(tuán)隊(duì)提出要求?！安恢貜?fù)走別人的老路，在自主研發(fā)中攻關(guān)核心和關(guān)鍵技術(shù)”的理念深入研發(fā)團(tuán)隊(duì)每位成員心中。

由于很多技術(shù)當(dāng)時(shí)在國內(nèi)處于空白狀態(tài)，也沒有研制經(jīng)驗(yàn)可供借鑒，研發(fā)團(tuán)隊(duì)只能摸著石頭過河。在“兩總”系統(tǒng)的帶領(lǐng)下，總體與各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)師集智攻關(guān)，把總體設(shè)計(jì)方案的創(chuàng)新做到極致，創(chuàng)新采用了高載荷比快速發(fā)射火箭總體設(shè)計(jì)方案。

“在立項(xiàng)評審會(huì)上，總體方案得到專家認(rèn)可，認(rèn)為火箭的方案設(shè)計(jì)思路很新穎，創(chuàng)新性很強(qiáng)，技術(shù)指標(biāo)很高?！备笨傇O(shè)計(jì)師陳總介紹稱。

公開資料顯示，快舟十一號(hào)固體火箭全箭主體結(jié)構(gòu)采用碳纖維復(fù)合材料，700千米太陽同步軌道運(yùn)載能力不小于1噸，總體技術(shù)水平達(dá)到固體火箭國際先進(jìn)水平。此外，該型火箭具有“移動(dòng)測試對接、移動(dòng)發(fā)射、移動(dòng)云測控”等特點(diǎn)，具備快速發(fā)射能力，能夠適應(yīng)多樣化發(fā)射任務(wù)。

克服無數(shù)挑戰(zhàn)創(chuàng)新成功

與快舟一號(hào)甲固體火箭相比，從表面上看起來，快舟十一號(hào)固體火箭只是“個(gè)頭”放大、“體重”增加，運(yùn)載能力提升5倍左右，但事實(shí)上其研制難度呈幾何級(jí)數(shù)增長，許多風(fēng)險(xiǎn)難以預(yù)料。

在首次地面點(diǎn)火試驗(yàn)時(shí)，快舟十一號(hào)火箭的固體發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了問題。發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師介紹稱，試驗(yàn)失敗的結(jié)果對大家的打擊很大，這意味著此前的努力和進(jìn)展重新回到原點(diǎn)。當(dāng)晚，團(tuán)隊(duì)召開緊急會(huì)議，列舉所有可能的故障。之后，通過大量仿真和試驗(yàn)工作，技術(shù)人員一項(xiàng)一項(xiàng)地去驗(yàn)證、排除，找到失敗原因，解決技術(shù)難點(diǎn)。

為了提升其中一個(gè)結(jié)構(gòu)的可靠性，團(tuán)隊(duì)嘗試在一款關(guān)鍵部件上采用一體化方案。但是由于殼體結(jié)構(gòu)形式特殊，性能要求高，技術(shù)人員經(jīng)常駐扎在系統(tǒng)外配套廠家現(xiàn)場，不間斷“跟產(chǎn)”，分析試驗(yàn)數(shù)據(jù)，確保研制工作順利推進(jìn)。

經(jīng)過不懈努力，團(tuán)隊(duì)成員最終攻克了一體化技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了產(chǎn)品的輕質(zhì)化、高可靠性、低成本，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)順利通過環(huán)境試驗(yàn)、地面點(diǎn)火試驗(yàn)、飛行試驗(yàn)。

在解決火箭的固體動(dòng)力之后，火箭上面級(jí)的液體動(dòng)力——液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)成為了橫亙在研制過程中的又一個(gè)“攔路虎”?！把兄频缆诽^曲折，中間失敗、然后推翻重來的次數(shù)，一只手都數(shù)不過來?！必?fù)責(zé)該系統(tǒng)設(shè)計(jì)的技術(shù)人員回憶。

由于該系統(tǒng)技術(shù)難度大，研制進(jìn)展艱難，快舟十一號(hào)火箭發(fā)射時(shí)間一再推遲。就在大家一籌莫展之際，梁總創(chuàng)新性地提出，可以采用一項(xiàng)新技術(shù)，實(shí)現(xiàn)液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)結(jié)構(gòu)功能一體化設(shè)計(jì)的全新技術(shù)路線，為團(tuán)隊(duì)指明了前進(jìn)方向。

然而，液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)的驗(yàn)證試驗(yàn)經(jīng)歷了“首次失敗后成功，隨后又失敗再成功”的5年曲折坎坷，直到抽檢試車成功后，大家懸著的心才稍微放了下來，終于啃下了這塊“硬骨頭”。

為了提升火箭的載荷比（發(fā)射載荷質(zhì)量與火箭起飛質(zhì)量之比），就必須使火箭本身足夠輕。為此，技術(shù)人員絞盡腦汁，每“克”必爭，長時(shí)間投入精力進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化、材料篩選和實(shí)物驗(yàn)證。

最終，團(tuán)隊(duì)采用了一種新型復(fù)合材料，對箭體主結(jié)構(gòu)進(jìn)行輕量化設(shè)計(jì)，極大減輕了箭體的重量。同時(shí)，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)盡可能摸清了火箭設(shè)計(jì)偏差量，探明火箭設(shè)計(jì)余量，能減則減，火箭載荷比有了大幅提升。

火箭體積、重量大，車載機(jī)動(dòng)發(fā)射所經(jīng)歷的工況復(fù)雜，運(yùn)輸發(fā)射系統(tǒng)規(guī)模也變得非常龐大，導(dǎo)致全箭機(jī)動(dòng)發(fā)射難度陡增，“快”將難以保證。

“運(yùn)輸發(fā)射系統(tǒng)所承載的負(fù)載太大了，很多技術(shù)在當(dāng)時(shí)都是第一次嘗試?！必?fù)責(zé)地面發(fā)射系統(tǒng)的技術(shù)人員感嘆創(chuàng)新不易。他們不光白天頂著烈日酷暑試驗(yàn)，晚上還要熬夜分析數(shù)據(jù)。

經(jīng)過長時(shí)間鏖戰(zhàn)，研發(fā)團(tuán)隊(duì)通過對現(xiàn)有測發(fā)控系統(tǒng)進(jìn)行一體化設(shè)計(jì)、火箭全系統(tǒng)智能測試網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)和發(fā)射流程優(yōu)化整合，攻克了大噸位車載機(jī)動(dòng)發(fā)射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了“一車一箭”無依托機(jī)動(dòng)、“一鍵式”快速測試發(fā)射。

▲ 快舟十一號(hào)火箭飛行中

▲ 快舟十一號(hào)火箭進(jìn)行吊裝

“團(tuán)隊(duì)在研制過程中大膽引進(jìn)系統(tǒng)外企業(yè)，參與配套產(chǎn)品研制生產(chǎn)，不僅提高了資源配置效率，降低了產(chǎn)品生產(chǎn)成本，還提高了研發(fā)組織效率，縮短了產(chǎn)品生產(chǎn)周期?！焙教烊h委書記、董事長馮杰鴻介紹，在快舟系列火箭研發(fā)過程中，航天三江探索采用社會(huì)化發(fā)展模式，開創(chuàng)了“航天質(zhì)量管理+靈活響應(yīng)市場”的“快舟模式”。

▲ 研制團(tuán)隊(duì)開展總裝測試

▲ 快舟十一號(hào)火箭準(zhǔn)備吊裝

達(dá)成全面可靠最優(yōu)解

在研制過程中，每一個(gè)分系統(tǒng)都面臨著技術(shù)“瓶頸”和難題，全面可靠是每一個(gè)問題的最優(yōu)解。

提升可靠性是提升火箭發(fā)射成功率的“秘籍”?？刂葡到y(tǒng)團(tuán)隊(duì)大膽創(chuàng)新，運(yùn)用通用化、模塊化設(shè)計(jì)等新手段，提升了控制系統(tǒng)從單機(jī)到系統(tǒng)的全面可靠性；軟件專業(yè)團(tuán)隊(duì)結(jié)合型號(hào)特點(diǎn)，搭建模塊化測試環(huán)境，測試了軟件系統(tǒng)在火箭飛行過程中近200種正常和異常工況下的正確性，全面驗(yàn)證了軟件系統(tǒng)的“健壯性”；軟件測試團(tuán)隊(duì)啟用最新研發(fā)的仿真平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)了多人同時(shí)并行開展工作，極大提高了測試效率，縮短了測試周期。

在質(zhì)量復(fù)查中，團(tuán)隊(duì)向外借力，開展交叉測評，給軟件質(zhì)量加上了“雙保險(xiǎn)”。

準(zhǔn)確預(yù)示火箭的一項(xiàng)氣動(dòng)性能是氣動(dòng)專業(yè)團(tuán)隊(duì)面對的最大技術(shù)難題。他們結(jié)合外部輔助分析，輾轉(zhuǎn)多地開展試驗(yàn)驗(yàn)證后，經(jīng)過長達(dá)幾年的探索，最終找到最合理的預(yù)示方法。

評審專家認(rèn)為，團(tuán)隊(duì)對部分因素的影響分析還不夠。為了打消疑慮，提升艙段分離技術(shù)的可靠性，結(jié)構(gòu)專業(yè)團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新采用了一種零重力試驗(yàn)方法，順利完成驗(yàn)證試驗(yàn)并取得預(yù)期的效果。

環(huán)境專業(yè)最“頭疼”的事則是如何準(zhǔn)確模擬火箭的飛行環(huán)境。由于現(xiàn)有的模態(tài)試驗(yàn)條件無法對這個(gè)“龐然大物”開展試驗(yàn)，環(huán)境專業(yè)團(tuán)隊(duì)收集整理國內(nèi)外大量文獻(xiàn)，沿著“化整為零，結(jié)零為整”的設(shè)計(jì)思路，開展相關(guān)技術(shù)攻關(guān)，成功解決了大中型固體火箭全箭模態(tài)試驗(yàn)的難題。研制期間，團(tuán)隊(duì)成員深入偏遠(yuǎn)山溝，披星戴月開展摸底試驗(yàn)；3次奔赴試驗(yàn)場，只為獲得關(guān)鍵性數(shù)據(jù)；克服疫情不利影響，長期集中駐守廠房……

總體專業(yè)團(tuán)隊(duì)頂著巨大壓力，參加各種討論會(huì)、匯報(bào)會(huì)、協(xié)調(diào)會(huì)，耐心解答專家評委所提問題，大膽求證。測控通信專業(yè)團(tuán)隊(duì)通宵對多個(gè)數(shù)據(jù)源的上百個(gè)參數(shù)、共計(jì)幾十萬行處理結(jié)果進(jìn)行逐行對比，最終拼接出最全面、最準(zhǔn)確的結(jié)果。

正如同型號(hào)質(zhì)量主管說：“正是這些平凡崗位上的航天人凝心聚力，一點(diǎn)一點(diǎn)創(chuàng)造出快舟十一號(hào)固體火箭的勝利。”

八年磨一“箭”，時(shí)間的沉淀推動(dòng)技術(shù)創(chuàng)新。正是憑著這股子韌勁和拼勁，快舟火箭研發(fā)團(tuán)隊(duì)相繼攻克了高載荷比快速發(fā)射總體技術(shù)和大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、液體姿控動(dòng)力系統(tǒng)、大噸位車載機(jī)動(dòng)發(fā)射、無依托快速測發(fā)等一系列先進(jìn)技術(shù)和產(chǎn)品，進(jìn)一步凸顯了快舟系列火箭“移動(dòng)測試對接、移動(dòng)發(fā)射、移動(dòng)云測控”等特點(diǎn)，提升了快速發(fā)射能力，成功適應(yīng)多樣化發(fā)射任務(wù)，未來必將更好地滿足衛(wèi)星規(guī)模化、高密度、快速發(fā)射的需求，帶動(dòng)我國固體火箭及其動(dòng)力技術(shù)發(fā)展。