首次固液混动“跨界合作” 长征六号改火箭如何保证平稳飞行？

(马帅莎 郑莹莹 陈葆娟)3月29日，长征六号改(以下简称“长六改”)运载火箭在太原卫星发射中心成功首飞，中国长征系列运载火箭家族再添新成员，同时也成功填补了国内运载火箭固液联合控制领域空白。

作为中国首型固体捆绑运载火箭，长六改火箭是一款采用“固体助推+液体芯级”的新一代无毒无污染中型运载火箭，四个刚劲有力的固体助推器是其区别于现役运载火箭的最大特征，电动伺服系统作为助推器固体发动机的配套执行子系统，是实现运载火箭姿态和轨道控制的关键一环。

从“光杆箭”到“刚柔并济”的三级跳

中国航天科技集团八院长征六号改控制系统负责人周静表示，八院现役运载火箭均为单芯级构型，从外形上看，就是一根“光杆箭”，长六改火箭是八院首款采用芯级捆绑4枚助推器构型的火箭，也是国内首款固液混合动力火箭，一次性实现了从单芯级到芯级助推捆绑，再到液体芯级固体助推混合捆绑的三级跳。

作为中国第一型“混合动力”的新一代长征系列运载火箭，长六改火箭充分发挥液体发动机性能高、工作时间长和固体发动机推力大、工作可靠、使用维护简单的综合优势。

周静说，四个固体助推器为全箭提供了近70%的推力，让长六改火箭更能扛，飞得更高。“作为控制系统研制单位，我们的任务是让火箭拥有一个更聪明也更健壮的‘大脑’，让长六改火箭飞得更稳，更精准地将卫星‘投递’到预定轨道。”

跨界混搭“水手团” 确保火箭平稳飞行

火箭在空中飞行，犹如巨轮遨游在海洋中，控制系统是舵手，指挥航行轨道，发动机为船帆，提供前进动力，而伺服系统则是水手，听从舵手指令拉动船帆改变航行方向。

对于长六改火箭而言，需要一个异常强壮的“水手团”来推动自身的固体发动机柔性喷管，电动伺服系统以结构简单、研制成本低、可靠性高、维护方便等先天优势成为助推固体发动机执行机构的首选。

“固体发动机推力大，但本身存在推力全程不稳定的问题，不像液体发动机可以持续输出一条平稳的直线。” 中国航天科技集团八院长征六号改控制系统副主任设计师胡存明说，“而且捆绑在火箭四个方位的固体助推器，点火后也做不到完全‘步调一致’，有的是急性子，有的稍微慢一点，这会对火箭产生一定的翻转力矩。”

为此，控制系统研制团队创新采用固体捆绑火箭三通道联合摇摆控制方案，将“液氧煤油发动机+液压伺服机构”与“固体发动机+电动伺服机构”这种跨界混搭组合牢牢“拿捏”，确保火箭的平稳飞行。

自我诊断与修复 实现火箭智能飞行

针对在火箭飞行过程中对姿态调整起着关键作用的伺服系统，研制团队还在国内首次提出并应用了在线故障诊断与自适应重构技术。

据胡存明介绍，以前，研制人员会将伺服系统可能出现的故障模式一一列出，制定好控制策略，预装到飞行软件里。“但是对于长六改火箭而言，伺服机构多达12台，单台伺服机构的故障模式也多达18种，所以我们要‘教会’它如何在线自我诊断和自我修复，用智能控制方法让火箭智能飞行。” 胡存明说。

在飞行过程中，当某台伺服机构出现故障时，控制系统会根据自我诊断后的结果，重新进行计算并分配指令，确保控制力合力不变。中国航天科技集团八院长征六号改控制系统副主任设计师张飞表示，“要做到既不‘漏诊’也不‘误诊’，这不仅关系到飞行稳定性，还关系着助推器的分离安全和落点控制。”

让“大脑袋”“高个子”火箭迎风飞行

此外，长六改火箭高达50米，整流罩直径为4.2米，是个长着“大脑袋”的“高个子”，显得“脖子”又细又长。中国航天科技集团八院长征六号改控制系统副主任设计师王鹏指出，这就意味着二级箭体相对来说结构强度较弱，气动载荷的干扰会更明显，也就是高空风的影响。”

“好比我们高速上过大桥的时候，会明显感觉到侧向风对车的作用，速度越高，越容易将车吹离车道，最好是调整方向，迎着风向开，火箭也是一样的道理。” 王鹏说。

对此，控制系统团队采用了基于加速度计的主动减载控制技术，降低作用在箭体上的气动载荷，使火箭灵活调整姿态，迎着气流飞，减少高空风对发射的影响，更好地适应快速、高密度发射需求。

标签：