圆满首飞的长三乙改五火箭,改在哪里?

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12月6日,由航天科技集团一院抓总研制的长征三号乙改进五型运载火箭(简称长三乙改五火箭)在西昌卫星发射中心发射升空,将高分十四号卫星准确送入太阳同步轨道。这标志着长三乙改五火箭圆满首飞、长三甲系列火箭首次低轨发射任务获圆满成功,并向未来智慧火箭发展演进作出了新的探索。

发射前几日,82岁的龙乐豪院士来到了发射场,见证长三乙改五火箭的首次飞行。“作为奠基人、老战士之一,看到长三乙火箭在新一代战友的不断努力下性能持续提升、可靠性不断提高,我感到很欣慰,长三甲系列火箭已经为国民经济和国防建设,以及中国航天对外交流合作作出了重大贡献,相信它会继续创造新的辉煌。”龙乐豪说。

全新构型:丰富火箭子构型型谱

从外形看,作为家族成员中最高的一员,此次发射的这枚长三乙火箭已逼近发射塔架顶层平台。

长三乙火箭副总指挥孙岳介绍,此次发射的长三乙改五火箭,按照全新构型设计研制,进一步完善了长三甲系列火箭子构型的型谱,系列火箭的能力、适应性可满足更广阔的发射需求。

“长三乙火箭构型的变更,基本上是以整流罩的尺寸来区分。”长三乙火箭总体副主任设计师张亦朴说,在研制过程中,团队重新进行了总体设计,相当于新研火箭10%~20%的工作量。

长三乙火箭结构总体副主任设计师徐倩介绍,相比以往,这枚火箭的整流罩在改四构型整流罩的基础上加长了0.9米;卫星支架高1.4米。该卫星支架使用新型接口,外扩直径约2.3米,在长三甲系列火箭使用包带的接口中,尺寸最大。研制团队还为大直径接口设计了大尺寸柔性包带,让卫星在设计和接口选用时更加游刃有余。

不仅如此,改五构型火箭整流罩还为卫星测试开了“全景天窗”。火箭研制团队更换了整流罩双锥段的材料,实现了整流罩双锥段全透波,可令卫星测试工作测发范围更广、应用上更为灵活。

全新构型登场也为发射场工作带来了诸多挑战。211厂总装事业部副主任褚晓宾告诉记者,由于火箭“长高了”,星箭整体吊装到发射塔架后,原先的工作位置已不适合总装人员进行操作,“闫磊、王经东、徐鸿昊、甄海宁4名队员站在约三层楼高的升降装置上工作,几乎每个动作都可能会带来晃动。对此,他们做好充分准备,沉着应对、保持专注、高效配合,顺利完成工作”。

“在这枚火箭的总装过程中,电缆自动缠绕、舱段自动对接等更加先进的制造方法充分应用,精细化管理+操作一体化文件有效实施,推动提高了生产的效率和质量。”211厂总装事业部工艺组组长杨传成表示。

谈及研制过程中的难点与亮点,徐倩坦言,作为成熟的高密度发射型号,一年10余次任务已经令工作节奏十分紧张,在高强密度态势下研制新构型,对研制人员提出了更高要求。研制团队以较为成熟可靠的方式将新技术融合应用,不仅满足了新构型的研制要求,还能兼顾质量与进度,成为本次任务的亮点。

据了解,长三乙改五火箭方案论证工作自2016年启动,从方案论证到初样、试样研制,几乎历时5年。其间,长三乙火箭共实施46次发射,平均每年发射9次,此次长三乙改五火箭成功首飞也为长三乙火箭完成全年任务、“十三五”收官画上了圆满句号。

向智慧火箭发展的新尝试

“为长征火箭向智慧火箭发展作出了新的尝试”,这是龙乐豪对此枚长三乙改五首飞箭的评价。同时,在龙乐豪看来,控制系统的智能化是打造智慧火箭的主要途径之一。

据了解,这枚火箭配备了全新的飞控软件,控制系统采用全程四元数控制方案、迭代制导控制、一级横法向导引控制、双向风补偿+主动减载控制技术、全方位起飞滚转等5项技术,并结合了智慧化算法——姿控发动机在线故障辨识和控制重构,将为运载火箭飞行控制提供“打包式”解决方案。

“这一全新飞行软件的研制历时约两年半,是面向多种任务研制的通用化飞行软件,力求以一套软件适应所有发射任务。”长三乙火箭控制系统负责人韩峰表示,此次是上述5项技术与智慧算法首次在同一型号中融合应用,全新的飞控软件将大幅度提高长三乙火箭的任务适应性。

长三乙火箭姿态控制系统主任设计师纪刚介绍,新飞控软件在火箭的一级加入横法向导引控制,可提高助推器和芯一级落点精度控制能力,“例如助推器在分离后有可能受到风的影响,偏离预先设计的路径,新软件能够给助推器增加导引,引导其飞回落区范围内”。

“研制中,我们在不增加控制系统硬件的情况下,充分利用惯组加表信息进行组合控制,不仅能靠地面预测获取高空风信息进行补偿,还同时使火箭具备主动减载能力,该技术可以在火箭穿越大气层时,减少高空风对飞行的影响。”纪刚说。

此外,本枚火箭还首次应用了全方位起飞滚转技术,可实现全方位发射。“该技术可在单一的初始射向瞄准角度条件下,实现任意方位角的飞行控制。”韩峰说。

相较以往,在火箭实际飞行的过程中,“智慧”能带来哪些不同呢?

龙乐豪举例,过去,瞄准方向是固定的,火箭向哪个方向发射,就在相应的位置建立一个瞄准间;现在,只要事先设定一个方位角,起飞以后,火箭就能够自动滚转到合适方向。

他还举例,以往,研制人员会按照火箭的控制系统以及各方面性能参数等设置偏差范围,而一旦超出范围就无法实施控制,飞行将失利。智慧火箭能够在天上自主判断故障,一旦发现达不到原先设定的目标,就可以重新在线进行轨道设计,按照新的轨道路线飞行,尽管不能百分之百达到性能最优,但可以保成功,提高火箭飞行的成功率。

长三甲系列火箭首次实施低轨发射

“国家需要打什么星,我就能送什么星,这是我们搞火箭的人应该遵循的基本原则。”龙乐豪说。

他表示,从主要发射GTO轨道(地球同步转移轨道)卫星,到发射MEO轨道(中圆地球轨道)卫星,再到本次用长三乙改五火箭首次发射SSO轨道(太阳同步轨道)卫星,这体现出近年来长三甲系列火箭技术进步较大、适应性很强,能够更好地满足国民经济和国防建设的需要。

长三甲系列火箭首次实施低轨发射,技术状态变化较大,这包括首次从西昌卫星发射中心向南发射、修改轨道设计方案等。为保证万无一失完成任务,长三乙火箭团队做足了准备。

通常而言,西昌卫星发射中心的地理位置更加适合向东、东南方向发射,若向南发射,落区可选择的范围将大幅缩小,火箭要承受的高空风影响也会增强。如何确保助推器一子级、二子级分离后落在适当区域,同时在高空风影响下安全飞行?诸多约束条件给轨道设计带来了难题。

“一方面,团队通过轨道设计实现了对高空风的补偿。”张亦朴介绍,研制团队设计了4条轨道,发射前根据高空风实际预报情况选取不同方案。

“另一方面,团队成员进行了大量计算和仿真,针对这4条轨道分别设置了落区方案,最终画出范围框,实现4条轨道的落区范围一致、降低落区人员疏散难度,并结合相应控制技术解决落区安全问题。同时,此次顺利实施低轨发射,也验证了火箭的能力,未来可以为卫星用户提供更丰富的选择。”张亦朴说。

本文转载自“中国航天报”,原标题《圆满首飞的长三乙改五火箭,改在哪里?》,作者 | 中国航天报记者 宋皓薇,图 | 高楠

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