文/劉巖

2022年12月9日，捷龍三號(hào)火箭采取海上熱發(fā)射方式，在黃海海域的發(fā)射船上成功首飛，隨后將14顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道?！敖蔟埲?hào)”是面向未來衛(wèi)星星座快速組網(wǎng)發(fā)射需求而打造的商業(yè)四級(jí)固體火箭，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，具備“一箭20星”的發(fā)射能力，綜合發(fā)射成本為國內(nèi)當(dāng)前最優(yōu)，必將為國內(nèi)商業(yè)航天發(fā)射注入強(qiáng)有力的新動(dòng)能。

▲ 捷龍三號(hào)火箭成功實(shí)現(xiàn)國內(nèi)首次海上熱發(fā)射

▲ 捷龍三號(hào)火箭整流罩特寫

▲ 捷龍三號(hào)火箭箭體不同部位直徑差別較大

固體火箭優(yōu)勢(shì)充分發(fā)揮

眾所周知，固體火箭構(gòu)造相對(duì)簡單，具有可靠性高、履約周期短、發(fā)射場保障簡便等優(yōu)勢(shì)。捷龍三號(hào)火箭則有運(yùn)載能力強(qiáng)、整流罩包絡(luò)空間大、發(fā)射方式多樣化、經(jīng)濟(jì)性好、發(fā)射效率高、履約周期短等特點(diǎn)，將固體火箭的多方面優(yōu)勢(shì)發(fā)揮得淋漓盡致。

公開資料顯示，該火箭全箭總長31.8米，箭體最大直徑2.65米，起飛質(zhì)量140噸，500千米太陽同步軌道運(yùn)載能力1.5噸，擁有2.9米直徑和3.35米直徑整流罩，可實(shí)現(xiàn)海上發(fā)射和陸地車載發(fā)射，任務(wù)適用性強(qiáng)。

正所謂“動(dòng)力有多強(qiáng)，航天舞臺(tái)就有多大”。捷龍三號(hào)火箭使用了國內(nèi)裝藥量最多、推力最大的高性能纖維纏繞復(fù)合材料殼體整體式固體發(fā)動(dòng)機(jī)。該發(fā)動(dòng)機(jī)直徑2.65米，裝藥量71噸，推力達(dá)到200噸，采用了多項(xiàng)新技術(shù)，綜合性能達(dá)到世界一流水平。

通過技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化手段的多管齊下，航天科技集團(tuán)一院中國長征火箭有限公司（簡稱中國火箭公司）研制團(tuán)隊(duì)在確保產(chǎn)品可靠性的同時(shí)，實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)成本可控，提高了發(fā)動(dòng)機(jī)產(chǎn)品的綜合性能。在本次任務(wù)中，捷龍三號(hào)火箭首次完成了中國火箭海上熱發(fā)射，實(shí)現(xiàn)了從海上冷發(fā)射到海上熱發(fā)射的跨越。

在本次任務(wù)中，捷龍三號(hào)火箭的外形也被人津津樂道——“頭大脖子細(xì)”。原來，捷龍三號(hào)火箭箭體最大直徑2.65米，最小直徑僅2米，而研制隊(duì)伍采用了直徑3.35米整流罩，相比同規(guī)模固體火箭，可為有效載荷提供更大的包絡(luò)空間。不過，這種構(gòu)型給火箭結(jié)構(gòu)載荷設(shè)計(jì)、飛行姿態(tài)控制和復(fù)雜的噪聲振動(dòng)環(huán)境設(shè)計(jì)等方面帶來了很大的麻煩，研制團(tuán)隊(duì)努力為衛(wèi)星準(zhǔn)備了更“舒適”的空間。

捷龍三號(hào)火箭一體化測發(fā)指揮系統(tǒng)也更加簡潔、智能。據(jù)了解，地面測發(fā)控系統(tǒng)前后端全面集成在前端測發(fā)控制艙和后端一體化指揮控制艙中，系統(tǒng)集成度高，智能化程度高，可以實(shí)現(xiàn)筆記本電腦“一鍵式”發(fā)射。

本次捷龍三號(hào)火箭成功發(fā)射，還進(jìn)一步驗(yàn)證了生產(chǎn)制造發(fā)射一體化的優(yōu)勢(shì)——減少火箭生產(chǎn)制造與發(fā)射之間的復(fù)雜運(yùn)輸環(huán)節(jié)，縮短發(fā)射鏈條，大幅提高發(fā)射效率。

據(jù)悉，捷龍三號(hào)火箭的總裝測試工作是在中國火箭公司位于山東省海陽市的固體火箭總裝測試基地進(jìn)行的，采取批量生產(chǎn)貯存模式。執(zhí)行發(fā)射任務(wù)時(shí)，開展星箭對(duì)接和整流罩對(duì)接；經(jīng)過必要的測試后，火箭整體轉(zhuǎn)運(yùn)至海上發(fā)射母港（海陽港）上發(fā)射船，運(yùn)輸距離不超過6千米，運(yùn)輸用時(shí)不超過2小時(shí)；發(fā)射船載火箭運(yùn)輸至目標(biāo)海域后，進(jìn)入發(fā)射流程。整個(gè)流程用時(shí)一般不超過一周，單次發(fā)射效率大幅提高，且可實(shí)現(xiàn)一周一次的高頻次發(fā)射。

值得一提的是，捷龍三號(hào)火箭在研制過程中大量采用了“天巽”“天行”“天際”“天象”等自主可控工業(yè)軟件，實(shí)現(xiàn)了由國外工業(yè)軟件向自主可控轉(zhuǎn)變，由地面實(shí)物驗(yàn)證向仿真設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)變，減少了大量實(shí)物地面試驗(yàn)，有效提高了設(shè)計(jì)效率。

▲ 捷龍三號(hào)火箭轉(zhuǎn)運(yùn)途中

海上熱發(fā)射力克難關(guān)

本次捷龍三號(hào)火箭任務(wù)實(shí)現(xiàn)了中國火箭從海上冷發(fā)射到海上熱發(fā)射的跨越。

火箭海上發(fā)射具備多重優(yōu)勢(shì)。一是海上發(fā)射平臺(tái)可機(jī)動(dòng)部署，比如選擇在靠近赤道的海域進(jìn)行發(fā)射，最大限度地利用地球自轉(zhuǎn)速度，將火箭送入軌道，增加火箭的有效載荷，相當(dāng)于節(jié)省了火箭的燃料。二是海上發(fā)射的射向范圍寬，火箭殘骸可濺落在海面上，避開城市等人口聚集區(qū)，航落區(qū)安全性好。

當(dāng)前，海上發(fā)射安全、靈活、高效的優(yōu)勢(shì)已通過國產(chǎn)不同型號(hào)火箭得到檢驗(yàn)，海上發(fā)射或?qū)⒏映B(tài)化。更加專業(yè)的中國海上發(fā)射船正在建設(shè)，力爭實(shí)現(xiàn)一次出海多次發(fā)射。海上固定發(fā)射平臺(tái)正在并行論證，可持續(xù)降低海上發(fā)射對(duì)火箭的要求，通過“固定+機(jī)動(dòng)”模式，大幅提高海上發(fā)射的經(jīng)濟(jì)性和靈活性。不僅如此，中國火箭公司還在積極探索液體火箭海上發(fā)射能力，真正實(shí)現(xiàn)“冷熱兼?zhèn)洹薄肮桃杭嫒荨薄肮潭?機(jī)動(dòng)”“一次出海多次發(fā)射”等更加完備的海上發(fā)射能力。

第二，發(fā)展格局不協(xié)調(diào)。就綠色礦山數(shù)量來說，目前共有661家綠色礦山試點(diǎn)單位，且只有不到1/3達(dá)到國家級(jí)綠色礦山條件，與全國7萬座左右礦山相比明顯太少；就區(qū)域分布結(jié)構(gòu)來說，綠色礦山試點(diǎn)分布不甚合理，見圖1、圖2。

那么“冷”“熱”該如何區(qū)分呢？所謂“冷發(fā)射”，是指火箭先從發(fā)射筒中被彈射出來，隨后在半空中點(diǎn)火起飛，火箭的高溫尾焰不會(huì)燒蝕發(fā)射平臺(tái)，長征十一號(hào)火箭就采取了這種發(fā)射方式。所謂“熱發(fā)射”，則是火箭直接從發(fā)射平臺(tái)上點(diǎn)火起飛，沒有彈射過程，我國絕大多數(shù)火箭采取這種發(fā)射方式。

從表面上看，海上熱發(fā)射比海上冷發(fā)射少了彈射環(huán)節(jié)，似乎更簡單，實(shí)則不然?；鸺苯狱c(diǎn)火會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)大的反作用力，影響穩(wěn)定性，火箭高溫尾焰也考驗(yàn)著發(fā)射船和發(fā)射設(shè)備的承受能力，這些難題要如何解決呢？

在觀看捷龍三號(hào)火箭首飛任務(wù)視頻時(shí)，細(xì)心的觀眾可能會(huì)發(fā)現(xiàn)，火箭在起飛之前被一個(gè)長方體“籠子”包著，這個(gè)“籠子”就是導(dǎo)向式框架。海上風(fēng)急浪高，如果不依靠外力支撐，火箭很難穩(wěn)穩(wěn)地立在發(fā)射船上。因此，冷發(fā)射時(shí)，發(fā)射筒支撐著火箭的穩(wěn)定；熱發(fā)射時(shí)，依靠導(dǎo)向式框架把火箭“扶住”，就不會(huì)因海況造成火箭失穩(wěn)翻倒。

為解決火箭海上熱發(fā)射時(shí)的高溫承受難題，研制人員在發(fā)射船尾部單獨(dú)增加了長15米、寬10米的發(fā)射支撐平臺(tái)。在該平臺(tái)的作用下，火箭尾焰從由上到下排導(dǎo)轉(zhuǎn)變?yōu)橄蛩絻蓚?cè)排導(dǎo)，大幅度降低了火箭尾焰對(duì)發(fā)射船和發(fā)射設(shè)備的影響。

不僅如此，研制人員還給發(fā)射設(shè)備上了第二重保險(xiǎn)——針對(duì)核心元器件，增加防護(hù)層；在承受熱流密度大的部位，增加防護(hù)鋼板。最終目標(biāo)是，在火箭發(fā)射后，設(shè)備的主體結(jié)構(gòu)不受影響，簡單維護(hù)后就能再次執(zhí)行任務(wù)。

既然海上熱發(fā)射有諸多難題需要突破，為何還要嘗試？因?yàn)橄啾群Ｉ侠浒l(fā)射，海上熱發(fā)射的經(jīng)濟(jì)性更高，導(dǎo)向框架顯然比發(fā)射筒更節(jié)約成本，而且一次性消耗品更少，可以說實(shí)現(xiàn)了價(jià)值最大化。隨著捷龍三號(hào)火箭海上熱發(fā)射成功，我們有望看到更多型號(hào)的火箭在這方面作出嘗試。

商業(yè)需求促使全面升級(jí)

隨著人們對(duì)空天信息的需求日益增長以及商業(yè)航天蓬勃發(fā)展，火箭面臨著低成本、大規(guī)模快速組網(wǎng)發(fā)射的新要求。中國火箭公司采用商業(yè)化模式和技術(shù)經(jīng)濟(jì)一體化思路，在長征十一號(hào)火箭的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)系列化發(fā)展，打造出捷龍三號(hào)火箭，致力于為低軌衛(wèi)星提供低成本、批量化、高頻次的發(fā)射服務(wù)。

▲ 捷龍三號(hào)火箭發(fā)射前被“籠子”包住

▲ 工作團(tuán)隊(duì)為火箭首飛成功付出大量心血

▲ 捷龍三號(hào)火箭整流罩加工現(xiàn)場

最大限度地貼合商業(yè)使用需求，是做好一型商業(yè)火箭的基本出發(fā)點(diǎn)。捷龍三號(hào)火箭的首要指標(biāo)是高性價(jià)比，盡可能控制火箭制造和發(fā)射成本，整箭發(fā)射服務(wù)每千克載荷價(jià)格不超過1萬美元。

成本控制不容易，研制團(tuán)隊(duì)做了諸多管理模式上的創(chuàng)新。首先，以目標(biāo)成本為第一約束條件，開展方案和成本的迭代優(yōu)化，按照“成本最優(yōu)、工藝最簡、流程最短”的原則，確定技術(shù)方案。第二，探索形成以差異化管理為核心的商業(yè)火箭質(zhì)量管理新模式，針對(duì)不同等級(jí)產(chǎn)品、流程、風(fēng)險(xiǎn)，分別制定不同級(jí)別的質(zhì)量管理策略。第三，通過批量化生產(chǎn)、優(yōu)化生產(chǎn)流程、縮短發(fā)射鏈條、戰(zhàn)略合作共贏等一系列措施，降低火箭生產(chǎn)和發(fā)射成本。

產(chǎn)品通用化模塊化也是降低成本的有效手段。研制團(tuán)隊(duì)大幅應(yīng)用長征系列火箭技術(shù)及大量仿真技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了單機(jī)、工裝、設(shè)備、設(shè)施等在一定程度上的通用，進(jìn)一步降低部件成本，縮短箭體出貨周期，應(yīng)對(duì)市場商業(yè)發(fā)射“缺口”。

此外，履約周期短也很重要。研制團(tuán)隊(duì)主要做了兩方面的工作：一方面，通過火箭箭體去任務(wù)化、飛行軟件諸元化等設(shè)計(jì)理念，服務(wù)于火箭批量化生產(chǎn)；另一方面，針對(duì)星箭相關(guān)工作“短線”，采取星箭快速集成化設(shè)計(jì)和并行工程等設(shè)計(jì)方法，有效突破關(guān)鍵瓶頸。如此一來，可將履約周期壓縮至3～6個(gè)月。

總之，捷龍三號(hào)火箭從立項(xiàng)研制到成功首飛用時(shí)僅20個(gè)月，這意味著中國火箭公司探索出了商業(yè)火箭快速研制新模式。據(jù)悉，中國火箭公司將開啟山東海陽總裝測試廠房二期工程建設(shè)，計(jì)劃在2023年年底達(dá)到年產(chǎn)20發(fā)火箭的生產(chǎn)能力和3發(fā)火箭的周轉(zhuǎn)貯存能力。

捷龍三號(hào)火箭立項(xiàng)之初就被打上了商業(yè)化“烙印”。在市場開發(fā)過程中，中國火箭公司與客戶建立了定期洽談機(jī)制，同優(yōu)質(zhì)客戶建立了戰(zhàn)略聯(lián)盟關(guān)系；進(jìn)入發(fā)射服務(wù)階段，該公司發(fā)揮強(qiáng)大的市場資源和售前能力，強(qiáng)化與衛(wèi)星方的協(xié)同設(shè)計(jì)；在衛(wèi)星星座論證階段，該公司充分利用捷龍三號(hào)火箭和長征二號(hào)丙火箭、長征十一號(hào)火箭等，為衛(wèi)星方提供靈活、經(jīng)濟(jì)、高效的一體化發(fā)射方案，提高衛(wèi)星組網(wǎng)效率，降低發(fā)射費(fèi)用。

圍繞捷龍三號(hào)火箭，中國火箭公司還進(jìn)行了一系列品牌增值服務(wù)的探索，如箭體廣告、品牌聯(lián)名、科普教育、文旅文創(chuàng)等。

捷龍三號(hào)火箭首飛成功，進(jìn)一步完善了相關(guān)固體火箭型譜，500千米太陽同步軌道運(yùn)載能力覆蓋200千克～1.5噸，整流罩直徑覆蓋1.2米～3.35米，運(yùn)載能力梯度更加合理。同時(shí)，通過去任務(wù)化設(shè)計(jì)、批量化生產(chǎn)、集成化服務(wù)、一體化發(fā)射，能夠?yàn)樾l(wèi)星客戶提供更加安全、靈活、經(jīng)濟(jì)、高效的發(fā)射服務(wù)。

未來，研制團(tuán)隊(duì)將持續(xù)開展捷龍三號(hào)火箭的優(yōu)化升級(jí)工作，進(jìn)一步緊扣當(dāng)前乃至未來低軌衛(wèi)星低成本、批量化、高頻次發(fā)射需求，確定火箭的性能指標(biāo)、使用模式。比如，通過結(jié)構(gòu)減重來提升運(yùn)載能力，更換液體上面級(jí)而提高發(fā)射適應(yīng)性等，爭取為商業(yè)衛(wèi)星客戶提供更加優(yōu)質(zhì)、廉價(jià)的發(fā)射服務(wù)。

捷龍三號(hào)火箭并不是該系列的“終點(diǎn)”，中國火箭公司正在論證具有更大推力的捷龍四號(hào)火箭，其500千米太陽同步軌道運(yùn)載能力將達(dá)到2.5噸。研制團(tuán)隊(duì)將通過固體發(fā)動(dòng)機(jī)的模塊化組合、箭上電氣系統(tǒng)和地面測發(fā)控系統(tǒng)的統(tǒng)型等措施，降低研制成本，增強(qiáng)市場競爭力，更好地滿足衛(wèi)星客戶的多樣化需求。