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。

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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

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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。

长征六号的研制

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CZ6一子级首次动力系统试车

CZ-6小型运载火箭的论证工作很早就开始了,据称2000年开始我国就开始火箭的总体方案论证和关键技术攻关,不过它的正式立项要晚的多。2009年9月初《中国航天报》报道,国家有关部门日前正式批复CZ-6运载火箭立项,同时CZ-6运载火箭的研制工作也有中国航天科技集团公司八院正式启动,预计首发火箭将于2013年出场。

报道还指出,2008年7月中国航天科技集团公司做出了决定,明确了CZ-6运载火箭由上海八院抓总研制,八院立刻开始组建研制队伍,开展立项前的协调、论证和策划工作。

CZ-6火箭立项时八院已经完成了总体方案论证,确定了各分系统主要技术方案,正在深化关键技术攻关等工作。

CZ-6运载火箭立项时,第一级使用的YF-100液氧煤油发动机早已进行了多次600秒长程试车,发动机的性能和可靠性得到了充分验证,而第二级使用的YF-115液氧煤油发动机研制也相对顺利,第三级的过氧化氢/煤油发动机研制难度较低,CZ-6运载火箭的研制难度要略低于CZ-5和CZ-7火箭。虽然CZ-6火箭运力和体量最小,但它的总体设计方案中使用了三种新型发动机:YF-100、YF-115和过氧化氢/煤油发动机,火箭箭体使用了3.35米和2.25米两种直径的模块,火箭控制使用了全新的导航制导控制系统,还使用了新的具备两次点火能力的第三级,设计和技术同样极为复杂。CZ-6火箭使用了大量国内首次使用的新技术,据上海八院方案细化设计阶段的梳理分析,确定了12项重大关键技术攻关项目,如燃气滚控技术和氧箱自生增压技术等,加上我国已经有将近20年没有研制过全新的运载火箭,上海八院负责CZ-6火箭研制的805所开始研制工作时,团队平均年龄不到28岁,研制CZ-6火箭对这支研制队伍仍然是很大的考验。

面对困难805所的年轻人们迎难而上,大胆开拓创新进行了大量的论证和比较工作,根据发射要求、技术水平和经济性能等多方面指标优选设计方案,最终确定了CZ-6火箭的详细设计。CZ-6火箭研制团队还努力攻关重大关键技术,积极进行各个分系统的研制,保证这一新型运载火箭按时保质完成研制。

根据《中国航天报》的报道,2012年上半年YF-100液氧煤油发动机通过国防科工局的延寿, 2012年11月27日CZ-6火箭的一子级动力系统试车首次试验获得圆满成功,2013年4月3日一子级动力系统试车再获成功,2013年上半年CZ-6火箭的二子级动力系统试车也顺利完成,加上2013年7月CZ-6火箭的三子级首次动力系统热试车又喜获成功,新一代小型液体运载火箭CZ-6已经完成了全部系统级热试车,为火箭按时进行首飞奠定了基础。2013年8月初,YF-100液氧煤油发动机还进行了CZ-6火箭一子级飞行状态下的500秒长程试车,对YF-100发动机的可靠性、新的燃气滚控系统的协调性进行了验证考核。2013年9月初,CZ-6火箭的三子级发动机通过试样阶段评审,圆满完成初样阶段研制转入试样研制阶段。

根据外国媒体近期报道,我国太原卫星发射中心新建了CZ-6火箭的发射工位。从公开的CZ-6火箭图片看,CZ-6火箭很可能使用了类似“三平“即水平组装、水平测试、水平整体运输的发射模式,不过更进一步做到火箭出厂前进行水平组装。按现有进度看,CZ-6小型液体运载火箭明年将进行首飞,很可能是我国新一代运载火箭中首个进行首飞的型号。

长征六号的未来

长征六号火箭最初用于小卫星的快速发射,其设计运载能力只要求达到700千米SSO轨道500千克的指标,对于发射较大的小型卫星就力不从心了。我国现有的CAST-2000平台卫星质量普遍高于500千克,我国为委内瑞拉研制生产的委内瑞拉遥感卫星一号质量就达到了880千克,新的CAST-3000小卫星平台的质量也与其相仿。我国还有质量更大的资源一号、资源二号、SAST-1000、SAST-3000(风云三号)等一系列卫星平台的质量更是超过1吨,基于这些平台的卫星是目前和将来很长时间内我国SSO轨道卫星的主流。虽然CZ-7中型运载火箭具备发射这些卫星的能力,但中国航天科技集团八院仍试图通过改进CZ-6火箭的方式挤进这块利润丰厚的市场。

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长征6A捆绑式火箭

现有的CZ-6火箭构型通过测控系统的改善,尤其是使用西半球测控站或是天基测控,700千米高度SSO轨道运载能力将达到1吨,八院还将通过增加助推器的方式加强运力。2011年两会期间中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹接受记者采访时就表示,我国新一代运载火箭的小型运载火箭还将通过捆绑固体助推器等方式构成小运载型谱,满足国内外发射市场的需求。2013年国外航天刊物《Go Taikonauts》根据第五届航天科技创新国际会议(5th CSA-IAA)披露的消息,披露了新的CZ-6A火箭。根据文中的图表和介绍,CZ-6A火箭将捆绑两个2米直径的固体助推器,一子级很可能改用两台YF-100液氧煤油发动机,二子级和三子级直径增加到3.35米,也将使用更大直径的整流罩,从而将700千米高度SSO轨道的运载能力提高到4吨左右,完全可以包揽我国现有的中小LEO轨道和SSO轨道发射市场,对CZ-7火箭构成了巨大的挑战。CZ-6A火箭使用固体助推器和液氧煤油推进剂,可以看作中国的Delta II火箭,它的运力与CZ-722S(HO)相近,但无需使用液氧液氢发动机,考虑到我国目前仅有西昌卫星发射中心拥有液氧液氢加注能力,酒泉和太原增加低温的液氢推进剂储存和加注能力的可能性不大, CZ-6A火箭对和CZ-722S(HO)火箭具有一定的竞争优势。

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TY-1上面级

《Go Taikonauts》还提到了上海八院的TY-1上面级,它将使用可存储推进剂,具备多次启动能力和多星发射能力,还可将不同卫星快速送入不同的轨道,它还将具有长时间巡航能力。据称TY-1上面级将用于装备CZ-2D和CZ-4B火箭,以及新一代的CZ-6火箭。从某种意义上说TY-1上面级可以看作中国的Fregat,如果未来发展出MEO或是GSO卫星直接入轨能力,以及发射小型星际探测器的能力,CZ-6A将进入更广阔的发射市场。

文:Nemo

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