突破运力“下限”的长征6号

突破运力“下限”的长征6号

2013年太原发射中心的CZ-6火箭

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长征六号的起源

进入21世纪以后,我国进行了新一代运载火箭的研制,按照早期的规划,包括5米直径芯级、3.35米直径芯级和2.25米直径芯级等主要三个系列的设计,它们经过多年的论证和研制后,最终演化为CZ-5、CZ-7和CZ-6运载火箭。CZ-5运载火箭代表了我国运载火箭性能的突破,而CZ-7运载火箭用于满足我国中型载荷的发射需求,CZ-6运载火箭目前只要求达到700千米高度太阳同步轨道(SSO)500千克的运载能力,要小于我国目前服役的长征系列火箭,为什么要研制一个运载能力“突破下限”的CZ-6运载火箭呢?

美国“土星五号”高达118吨的理论近地轨道,长期以来一直是美国运载火箭能力独步天下的标志,但和很多人想象的不同,火箭的运载能力并非越大越好,而是要根据载荷的质量范围进行针对性的设计。随着卫星技术的发展,出现了大量质量在1吨甚至500千克以下的小型遥感卫星和其他小卫星,100千克甚至更轻的卫星也屡见不鲜。对于这些小型载荷,使用我国现有的长征火箭如CZ-2C、CZ-2D、CZ-4B和CZ-4C发射都严重浪费了运载能力。以我国为土耳其发射的“蓝突厥-2”(GK-2)遥感卫星为例,发射使用的CZ-2D火箭的SSO轨道运载能力1.15吨,而GK-2卫星质量仅有400千克,运力浪费十分严重,这不仅让火箭大材小用更增加了发射成本。同样以发射“蓝突厥-2”卫星的CZ-2D火箭为例,其发射报价仅有2000万美元,虽然远低于日本精雕细琢号称成本大幅降低的Epsilon火箭(53亿日元约5000万美元),但对比印度的PSLV火箭就处于劣势了。为了提高我国运载火箭的商业竞争力,减少大马拉小车的浪费,同时满足未来快速发射能力的需求,我国新一代运载火箭系列中特意规划了小型运载火箭,它最终发展成为CZ-6运载火箭。

突破运力“下限”的长征6号

长征系列火箭主要型号运力

根据对国内外发射市场的分析与预测,未来1吨以下的小型卫星尤其是500千克或是更轻的卫星占据了很大的比例,CZ-6运载火箭的设计运力从一开始就瞄准了这块市场,根据技术继承性、技术风险、运载能力和单位发射成本等诸多因素,从各种构型中选择了目前的CZ-6火箭方案。CZ-6火箭的SSO轨道运载能力最大可达1吨,只依靠国内测控条件支持运载能力也超过了500千克,可以满足我国未来发射军用和民用小卫星的需求。

长征六号的设计

突破运力“下限”的长征6号

CZ6早期方案

我国新一代运载火箭的早期构想中,为了符合新一代火箭“一个系列、两种发动机、三个模块“的发展思路,贯彻”通用化、系列化、组合化“的设计思想,曾计划以使用单台YF-100液氧煤油发动机的2.25米模块为基础研制小型运载火箭。2.25米模块还计划作为CZ-5和CZ-7火箭的助推器,如果小型运载火箭也使用2.25米模块的话,新一代运载火箭的通用化和组合化将达到很高的水平。不过从后来的发展看,虽然5米、3.35米和2.25米模块都投入使用,但并没有达到预想的模块化水平,小型运载火箭更是干脆使用了3.35米直径的芯级,不过仍使用单台YF-100液氧煤油发动机。

CZ-6小型运载火箭改用3.35米直径芯级并非偶然,根据程堂明总师的论文,虽然早期方案构型中存在多个2.25米直径芯级的设计,在” 通用化、系列化、组合化”方面的水平较高,但2.25米直径芯级设计的小型运载火箭长度普遍接近35米,导致长径比过大对结构强度和飞行控制都要求更高,同时火箭还存在最大动压过高和运载能力不足等问题,尤其是立足于国内测控条件时SSO轨道运载能力小于500千克,更是显著降低了发射小卫星的适应能力。

为了克服2.25米直径芯级的缺陷,新型小型运载火箭的论证中提出了3.35米直径芯级的设计,称之为方案C。3.35米直径芯级的方案C设计中,一子级直径从2.25米增加到3.35米,推进剂质量从61吨增加到76吨,仍使用单台YF-100液氧煤油发动机;芯二级继续使用2.25米直径但推进剂质量增加2吨到15吨,仍使用单台YF-115液氧煤油发动机;第三级使用4台1000牛过氧化氢/煤油发动机用于变轨,同时它还将用于火箭的滚控;火箭使用2.25米或是2.6米的整流罩,整流罩使用整体吊装方式。经过这样的优化改进,小型运载火箭的起飞质量增加到103吨,起飞推重比约1.2,飞行过程中的最大动压降低了1/3还多。由于火箭直径增加,第一级和第二级增加了大量推进剂,火箭高度也从35米左右降低到29米左右,长径比显著降低。更重要的是这个方案的SSO轨道运载能力增加到1080千克,在立足国内测控的要求下仍有500千克的运载能力,同时单发发射成本与其他方案基本相当,进一步降低了载荷的入轨成本,更具商业竞争力。在这个方案中,火箭长度和干重都不较小,可以完成总装后出厂,在发射工位起竖测试后,直接加注发射。据称这个小型运载火箭方案的发射准备时间可以缩短到7天,而没有为快速发射优化过的美国Minotaur火箭发射准备时间高达16天,典型快速发射固体火箭如日本Epsilon火箭和我国CZ-11小型固体运载火箭也需要7天,方案C小运载火箭的快速发射水平之高可见一斑,它也成为后来CZ-6小型运载火箭设计的基础。

突破运力“下限”的长征6号

长征6火箭的性能特色

新一代小型液体运载火箭曾由中国航天科技集团一院,也就是中国运载火箭技术研究院负责,后总体设计和研制转交上海八院负责。经过数年的进一步论证和研制,CZ-6火箭的设计又有了进一步的改进。CZ-6运载火箭的一子级将使用发动机燃气滚控系统,它工作在高温高压和富氧的恶劣工作环境下,对可靠性要求很高,通过多次热点火试验后,上海八院攻克了发动机燃气滚控技术的难题。CZ-6运载火箭第一级装有两台燃气滚控系统,这套系统在国内尚属首创,。CZ-6运载火箭还使用了独特的发动机氧箱自生增压技术,液氧储箱的增压气体来自发动机燃气发生器,虽然还有一定的杂质,但可以省去原有的增压供配气系统,简化增压系统的结构,降低增压系统的质量并减少质量隐患。CZ-6火箭三子级发动机也有了更详细的介绍,据《中国航天报》报道,CZ-6小型运载火箭三子级发动机具备双向摆动和二次启动能力,它们不仅在一、二级分离后为火箭提供推力,还将在飞行期间为火箭提供俯仰、偏航控制力,这样的设计减少了火箭小型姿控发动机的数量,简化了姿控系统并提高了火箭工作的可靠性。

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