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航天科技集团捷龙三号固体运载火箭首飞成功记
来源:中国航天报 | 作者:刘岩 | 发布时间: 2022-12-14 | 421 次浏览 | 分享到:

寒潮来临,近几日的黄海海域显得颇为寂寥。“轰隆隆……”12月9日下午,雷鸣般的巨响打破了黄海的沉寂。一枚火箭在船上喷出火焰,将海与天的接缝撕开,随后以矫健的身姿冲向寰宇。


距离发射船的不远处,停泊着另外一艘船。人们在船上注视着腾空的火箭,直至它消失在视野中。


随着任务成功的喜讯传来,人们鼓掌欢呼——捷龙三号运载火箭首飞成功了!


源自日益增长的商业发射需求


随着人们对空天信息需求的日益增长和商业航天的蓬勃发展,低轨卫星逐渐进入大规模组网的新阶段,对运载火箭提出了低成本、大规模快速组网发射的新要求。但这并不意味着任务对运载火箭自身的要求有所降低,“快人一步,领先一路”“时间就是金钱”“质量就是生命”等商业法则依旧存在。


机遇就在面前,该如何把握?航天科技集团一院中国长征火箭有限公司立足当下市场需求,综合研判,给出了答案——打造一型具有“高性价比、高可靠,快履约、快发射”特点的固体运载火箭。


固体运载火箭构造相对简单,具有可靠性高、履约周期短、发射场保障条件少的特点,可以为卫星客户提供快速、可靠的发射服务,帮助客户在较短的时间内验证关键技术、证明研制能力、迅速形成商业闭环。



结合实际情况,中国火箭公司采用商业化模式和技术经济一体化思路,在长征十一号运载火箭的基础上实现系列化发展,打造出捷龙三号运载火箭,致力于为低轨卫星提供低成本、批量化、高频次的发射服务,助力商业航天繁荣发展。


最大限度贴合商业使用需求,是做好一型商业火箭的基本出发点。


中国火箭公司将捷龙三号火箭的首要指标放在“高性价比”上。“在为卫星提供安全、可靠、灵活、贴心服务的基础上,我们尽可能控制火箭制造和发射成本,整箭发射服务每公斤载荷价格不超过1万美元。”捷龙三号运载火箭总指挥金鑫表示。


成本控制不是易事,研制团队为此做了诸多管理模式上的创新。金鑫介绍,首先,以目标成本为第一约束条件,开展方案和成本的迭代优化,按照“成本最优、工艺最简、流程最短”的原则确定技术方案。第二,坚持“有效、高效”的工作方法,探索形成以差异化管理为核心的商业火箭质量管理新模式,针对不同等级产品、流程、风险,分别制定不同级别的质量管理策略。第三,构建“1+1”的供应链体系,通过批量化生产、优化生产流程、缩短发射链条、战略合作共赢等一系列措施降低火箭生产和发射成本。


产品通用化模块化也是降低成本的一种手段。研制团队大幅应用长征系列运载火箭技术以及大量仿真技术,实现了单机、工装、设备、设施等在一定程度上的通用,进一步降低部件成本,缩短箭体出货周期,应对市场商业发射缺口。


此外,履约周期短也很重要。金鑫告诉记者,研制团队主要做了两方面的工作。“第一,通过火箭箭体去任务化、飞行软件诸元化等设计理念,服务于火箭批量化生产;第二,针对星箭相关工作短线,采取星箭快速集成化设计和并行工程等设计方法,有效突破关键瓶颈。如此一来,可将履约周期压缩至3~6个月。”


任务适用性强的固体运载火箭


捷龙三号运载火箭具有“运载能力强、整流罩包络空间大、发射方式多样化、经济性好、发射效率高、履约周期短”的特点。该型火箭全箭总长31.8米,箭体最大直径2.65米,起飞质量140吨,500公里太阳同步轨道运载能力1.5吨,拥有2.9米直径和3.35米直径整流罩,可实现海上发射和陆地车载发射,任务适用性强。


动力有多强,航天舞台就有多大。捷龙三号运载火箭使用了由四院研制的国内装药量最多、推力最大的高性能纤维缠绕复合材料壳体整体式固体发动机。该发动机直径2.65米,装药量71吨,推力达到200吨,采用了多项新技术,综合性能达到世界一流水平。据介绍,通过技术经济一体化手段的多管齐下,研制团队以“短、平、快”的工作效率,达到“好、快、省”的性能效果,在确保可靠性的同时,实现了设计成本可控、提高了发动机产品的综合性能。


在本次任务中,捷龙三号运载火箭首次完成了中国火箭海上热发射,实现了从海上冷发射到海上热发射的跨越。据捷龙三号运载火箭地面发射支持系统副总师欧阳松介绍,由于箭体规模增大,火箭创新性地采用了框式导向海上热发射方案,攻克了待发稳定性、离架安全性、燃气流排导和热防护设计等技术难题,在确保发射安全性前提下,有效缩短了发射流程、降低了发射成本。



在本次任务中,捷龙三号运载火箭的外形也被人津津乐道——“头大脖子细”。捷龙三号火箭箭体最大直径2.65米,最小直径仅2米,为完成“一箭14星”任务,研制队伍采用了直径3.35米整流罩,相比于同规模固体运载火箭可为有效载荷提供更大的包络空间。但这种构型也给结构载荷设计、飞行姿态控制和复杂的噪声振动环境设计等方面带来了很大难题。通过研制团队共同努力,卫星最终拥有了现在这个更为舒适的空间。


捷龙三号运载火箭一体化测发指挥系统也更加简洁、智能。据了解,地面测发控系统前后端全面集成在前端测发控制舱和后端一体化指挥控制舱中,系统集成度高,智能化程度高,可以实现笔记本电脑“一键式”发射。


本次捷龙三号运载火箭的成功发射,还进一步验证了生产制造发射一体化的优势。金鑫表示,“火箭生产制造发射一体化的根本在于减少火箭生产制造与发射之间的复杂运输环节,缩短发射链条,大幅提高发射效率。”


据金鑫介绍,捷龙三号运载火箭是在中国火箭公司位于山东省海阳市的固体运载火箭总装测试基地进行火箭总装测试,采取批量生产贮存模式。执行发射任务时,开始星箭对接和整流罩对接;经过必要的测试后,整体转运至海上发射母港(海阳港)上发射船,运输距离不超过6公里,运输用时不超过2小时;发射船载箭运输至目标海域后,进入发射流程。


“整个流程用时一般不超过一周,单次发射效率大幅提高,且可实现一周一次的高频次发射能力。”金鑫说。


捷龙三号运载火箭首飞成功,也进一步完善了集团公司固体运载火箭型谱,500公里太阳同步轨道运载能力覆盖200公斤~1.5吨、整流罩直径覆盖1.2米~3.35米,运载能力梯度更加合理;同时,通过去任务化设计、批量化生产、集成化服务、一体化发射,为卫星客户提供更加安全、灵活、经济、高效的发射服务。


值得一提的是,捷龙三号运载火箭在研制过程中,大量采用了“天巽”“天行”“天际”“天象”等多个“天”系列自主可控工业软件,实现了由国外工业软件向自主可控转变和地面实物验证向仿真设计转变,减少了大量实物地面试验,有效提高了设计效率。捷龙三号运载火箭从立项研制到成功首飞用时仅20个月,这意味着中国火箭公司探索出了一条研制流程优化、研制模式创新的商业火箭快速研制的新模式。


做好商业化发展的先行军


捷龙三号运载火箭立项之初,就被打上了商业化的烙印。为此,中国火箭公司在商业化探索中做了诸多努力。


金鑫介绍,在市场开发过程中,中国火箭公司的市场开发部门与客户建立了定期洽谈机制,同优质客户建立了战略联盟关系;进入发射服务阶段,该公司发挥强大的市场资源和售前能力,强化与卫星方的协同设计;在卫星星座论证阶段,该公司充分利用捷龙三号运载火箭和长征二号丙运载火箭、长征十一号运载火箭等,为卫星方提供灵活、经济、高效的一体化发射方案,提高卫星组网效率、降低发射费用。


围绕捷龙三号运载火箭,中国火箭公司还进行了一系列品牌增值服务的探索,如箭体广告、品牌联名、科普教育、文旅文创等全新商业形式,在充分发挥中国火箭IP价值的同时,通过品牌的渗透反哺“捷龙三号”的商业价值。


未来,研制团队将持续开展捷龙三号运载火箭的优化升级工作,进一步紧扣当前乃至未来低轨卫星低成本、批量化、高频次发射需求,确定火箭的性能指标、使用模式。比如,通过结构减重以提升运载能力、更换液体上面级以提高发射适应性等,争取为商业卫星客户提供更加优质、廉价的发射服务。



金鑫还透露,中国火箭公司当前正在同步论证具有更大推力的捷龙四号运载火箭,其500公里太阳同步轨道运载能力达2.5吨。研制团队将通过固体发动机的模块化组合,箭上电气系统和地面测发控系统的统型等措施,有效降低研制成本,增强市场竞争力,更好地满足卫星客户多样化的发射需求。


为适应商业化需求,中国火箭公司还将在火箭批量化生产上下功夫。金鑫介绍,中国火箭公司将开启山东海阳总装测试厂房二期工程建设,计划在2023年年底达到年产20发火箭的生产能力和3发火箭的周转贮存能力。


当前,海上发射安全、灵活、高效的优势已通过长征十一号运载火箭和捷龙三号运载火箭海上发射得到检验,海上发射或将更加常态化。据了解,更加专业的海上发射船正在建设,力争实现一次出海多次发射;海上固定发射平台正在并行论证,可持续降低海上发射对火箭的要求,通过“固定+机动”模式,大幅提高海上发射的经济性和灵活性。


不仅如此,中国火箭公司还在积极探索液体火箭海上发射能力,真正实现“冷热兼备”“固液兼容”“固定+机动”“一次出海多次发射”更加完备的海上发射能力。


我们有理由相信,捷龙三号火箭的成功首飞,将为我国商业航天发展注入新动能。(文/刘岩 图片由中国火箭公司提供)