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全球最大固体运载火箭引力一号海上首飞成功

【字体: 2024年01月17日 15:24 来源:中国航天报

1月11日13时30分,在山东海阳附近海域的东方航天港号发射与回收多功能船上,东方空间技术(山东)有限公司自主研制的引力一号遥一商业运载火箭由太原卫星发射中心发射升空,随后将云遥一号18~20星共3颗卫星顺利送入预定轨道,发射任务取得圆满成功。

引力一号火箭是三级半构型全固体捆绑运载火箭,是迄今全球最大固体运载火箭、中国运力最大的民营商业火箭,也是中国首型捆绑式民商火箭。其起飞重量405吨,起飞推力600吨,近地轨道运载能力6.5吨,500公里太阳同步轨道运载能力4.2吨。它可支持百公斤级卫星“一箭30星”发射,满足中低轨卫星批量组网发射和中大型航天载荷快速响应发射需求,设计具备24小时快速应急发射能力。

引力一号首飞成功,标志着我国商业运载火箭自主创新取得重大进展,有力提升了我国中低轨卫星多样化、规模化发射能力,进一步丰富了我国运载火箭型谱。

此次引力一号发射使用的整流罩是迄今国内民商火箭最大整流罩,直径达4.2米,高9米多,与我国用于空间站运输的长征七号火箭载货方案整流罩直径相当,可以容纳更多、更大体积的卫星。

三年奋战 攻关破难题

引力一号火箭高度约30米,芯级和助推器直径同为2.65米。作为国内首个捆绑构型的民商火箭,引力一号用小型火箭的身高实现了中型火箭的运载能力,同时适应了海上发射需求。火箭配套的4型7枚固体大推力发动机均由航天科技集团四院研制,其中助推级、芯一级、芯二级为直径2.6米发动机,芯三级为该火箭高精度上面级固体发动机。

引力一号火箭采用捆绑构型,方案设计复杂度、专业耦合度、系统协同能力要求更高:一方面,由于助推器分离高度低,火箭飞行中会受到更严酷的气动影响,必须做好气动、载荷、控制、分离等专业深度耦合设计;另一方面,固体发动机只能在耗尽燃料后关机,且不同发动机工作不同步,在几百毫秒的分离过程中,控制力和全箭参数会产生剧烈变化,给稳定控制及可靠分离带来了巨大挑战。

中型捆绑火箭在专业耦合程度、大型壳段生产乃至日常使用流程及保障方面,都与小型火箭迥然不同。“引力一号火箭注重系统创新、单元可靠:通过2.65米级固体发动机模块化、组合化捆绑设计,实现了运载能力的跨越;通过飞行时序优化,解决了固体助推器不同步导致的分离难题,有效保证助推器分离过程及控制的可靠性;通过构型优化,大幅降低‘三垂发射’模式保障要求,提高了地面使用过程的可靠性和安全性。”东方空间联席CEO、引力一号总设计师兼总指挥布向伟说。

东方空间联席CEO姚颂介绍,引力一号研制团队约100人,骨干成员履历和工程技术经验丰富。自2021年3月立项以来,团队发扬航天人特别能吃苦、特别能战斗的作风,高效开展研制工作,3年左右的时间里攻克了海陆通用中型运载火箭总体设计及试验技术、捆绑固体运载火箭多学科耦合优化设计技术、批量化—低成本—大承载中大型火箭结构及装置设计及制造技术、中型运载火箭多模快速响应发射技术四大关键技术群、17项关键技术,开展了23项大型地面试验、489项单项试验、1452次试验迭代。

姚颂举例说,火箭助推器和芯级的连接处面积只有一面A4纸大小,却要承受约200吨的推力,它不仅要坚固,还要简单,该分离时动作干净利落,这其中充分体现了技术含金量。

布局海阳 “出厂即进场”

“三垂”的测发模式,此前长征二号F和长征五号火箭等采用过,其优势就是让火箭和载荷在最短的时间内完成总装、测试、转运和发射等工作,提高发射效率和成功率,降低成本和风险。

作为首型海上发射的捆绑构型火箭,引力一号火箭创新采用了适应公路运输的灵活机动的垂直转运模式,攻克了适应海上晃动环境的垂直转载和垂直测试等技术难题,在我国首次实现海上发射“三垂”测发模式。

东方空间首席运营官魏凯介绍,早在成立之初,公司便瞄准建设规模化、便捷化、低成本的发射服务模式,助力我国快速进入空间的能力提升。海上发射具备任务适应性比较强、发射安全性高、发射频次提升潜力大的特点,长征十一号、捷龙三号、谷神星一号等火箭均实现海上发射。

引力一号火箭攻克了海陆通用中型火箭构型优化、中型捆绑火箭动基座垂直发射载荷精细化辨识、海上热发射动基座瞄准等技术难关,在40千瓦大功率机电伺服、大扩张比大推力固体发动机、大推力多喷管复杂底部力热环境预示及热防护等技术领域率先实现国内突破。结合一站式发射体系优势,引力一号火箭可以采用“半整箭贮存”方式,形成能力储备,最快可在24小时内实现应急发射。

魏凯说,此次引力一号成功首飞,使我国海上发射能力进一步提高,也填补了捆绑型固体运载火箭海上发射的技术空白。东方空间全力推动海上发射基础设施建设,位于山东海阳的测试中心未来达产后将实现年产20发运载火箭的能力,形成“一站式”海上发射服务体系,真正实现“出厂即进场”。5公里内能够实现火箭全箭总装、测试及发射全流程,显著降低物流成本和时间,在未来可支持一条船一周完成一次引力一号发射任务。

降本增效 尝试新技术

“商业航天现在已经从技术验证阶段逐步转入商业验证阶段,基本上解决了‘航天’技术难题,更关键的是要实现‘商业’。而降低火箭发射成本是一个系统工程,需要通过在火箭研制设计、生产制造、流线转运、基础设施等诸多方面进行全方位优化。”东方空间副总裁彭昊旻表示。

引力一号火箭除了通过“一站式”发射体系建设来大幅缩短发射准备流程、降低综合成本外,自设计之初便充分考虑成本因素。比如,箭体结构采用了有利于快速批量化制造的设计,芯级和助推器直径相同,柱段结构包括8个部段,占火箭总数量的一半……总之,通过集中备料、模块化标准化设计、从设计源头上简化制造工艺等方式,大幅提升了火箭制造效率,降低了制造成本。

在发射支持设备上,东方空间同样集中贯彻了降本增效的理念——

在发射准备流程中,通过采用机械式翻转架,引力一号火箭的百吨级子级实现了可靠地翻转起竖,大幅降低了制造和后期维护成本。

转运和实施发射前时,火箭被巨型“白色羽绒服”罩住,引力一号也因此被网友称为“大白”。布向伟说,这种柔性充气式防护罩在运载火箭研制发射中的应用,是东方空间的首次尝试。

他透露,防护罩看着很轻,实际总重有3吨左右。它就像日常看到的充气城堡一样,将内部温度控制到15摄氏度左右,同时也可以有效隔绝外部雨雪影响。用的时候充入压缩空气,它的墙可达到1米厚,“通过这么一个充气防护罩,我们可以实现低成本、简洁的运载火箭环境保障系统。”放气后,防护罩可折叠存放,占地非常小。

值得一提的是,本次任务中,东方航天港号海上发射与回收多功能船表现出色。作为我国首艘船身自带导流槽设施的发射船,未来它会进一步支持中大型火箭海上发射任务,在无发射任务时还可以执行海上风机等大件运输任务,充分发挥商业价值。

“从东方走向空间,为东方建设空间”是东方空间梦寐以求追寻的理想,公司致力于成为全球最受尊敬的商业航天服务商、让每个人都能实现航天梦想。

当前,东方空间正在研制引力二号中大型可回收复用液体火箭,争取再用2年左右攻克可回收复用技术,进一步提升火箭运载能力至15~20吨,努力降低发射成本,助力航天产业蓬勃发展。

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