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长征六号发射成功 航天“智造”迈向工业4.0

2015年09月21日 09:38中国机床商务网点击:5025

  【中国机床商务网 机床上下游】由中国航天科技集团上海航天技术研究员抓总研制的长征六号运载火箭,作为我国新一代运载火箭的首飞箭,承载着运载火箭发展史上众多创新之举。全新的结构形式、全新的动力系统、全新的电气系统,这型20多年来我国首次全新研发的运载火箭,将对我国未来运载火箭的发展产生重要影响。
  
  在此,让我们细数一下长征六号的主要创新特点。
  
  绿色环保:开启新一代运载新征程
  
  近年来,世界各国都加大了对新型运载火箭研制的力度,大直径、大运载能力、低成本、高可靠、无污染和易操作等成为后续运载火箭发展的趋势。同时,受越来越旺盛的微小卫星发射需求的牵引,发展经济、灵活、便捷的运载火箭,适应国际商业发射需求,也成为一种发展趋势。
  
  由此,长征六号运载火箭应运而生。
  
  长征六号作为我国新一代运载火箭中首型投入发射应用的火箭,首次采用了我国最新研制的高压、大推力、无毒无污染的补燃循环液氧煤油发动机。一级直径3.35米,采用单台最大推力为120吨的液氧/煤油发动机,二、三级直径2.25米,分别采用一台液氧/煤油发动机和一台常规推进剂发动机。火箭起飞推力为1200千牛。
  
  为获得更大运载能力,长征六号火箭采用了一系列全新的设计方案,独特的发动机氧箱自生增压技术则是最大亮点。
  
  火箭飞行中,需要不断对发动机氧箱进行增压。传统设计中,需要额外增加独立的增压气瓶,这会增加火箭的重量。自增压方案利用发动机燃气发生器的富余氧气为一级氧箱进行增压,能为火箭减少12个单独增压气瓶以及一整套冗余增压系统,可以大大优化火箭总体方案并减少质量隐患。由于该方案尚无应用先例,研制单位组织开展了大量试验和攻关,并通过热试车有效验证了增压系统的工作性能,仅增压输送系统就申请了16项专利。
  
  此外,长征六号创造性地使用了发动机燃气滚控系统,利用一级发动机涡轮后引出高温高压富氧燃气,与发动机一起对火箭进行滚动姿态控制,以保证火箭飞行过程中的姿态稳定。这在国际上属于首创。
  
  长征六号成功发射有效验证了我国在大推力、高可靠性、高适应性、低成本、无毒无污染运载火箭领域的关键技术突破,标志着我国在运载火箭现代化、推进剂无毒化方向迈出了坚实一步,也拉开了我国新一代运载火箭投入使用的序幕。
 
  
图片来自百度
 
  三平一快:“开着”火箭去发射
  
  传统火箭执行发射任务,需要分段运输至发射场,再在塔架上完成各子级的垂直吊装总装和测试。现役运载火箭中,唯有执行载人航天发射任务的长征二号F采用了垂直转运模式。而长征六号针对后续卫星发射的需求,在国内运载火箭领域创造性地采用了“三平”测发模式,对现役火箭的测发模式进行了一次彻底的变革。
  
  “三平”指水平整体测试、水平整体星箭对接、水平整体运输起竖发射。火箭以水平状态在厂房内完成全箭总装和测试,以及与卫星的对接,同时将整发火箭水平放置于专门研制的自行式整体运输起竖车上,由起竖车将火箭水平运输至发射工位,并完成水平对接、翻转起竖、垂直定位、燃料加注和发射等动作。整个过程一气呵成,大大简化了发射区操作时间和发射台占用时间。按照设计,采用“三平”测发模式的长征六号的发射准备周期仅需7天,有力适应卫星发射低成本、短周期的需求。
  
  为了适应火箭“三平”测发的需要,科技人员对地面测发控系统进行了创新改进,将各种测试设备集成安装到五个方舱内,形成了一辆移动的“体检车”,车随箭走,大大简化了测发流程,减少设备数量。
  
  承载长征六号的自行式整体运输起竖车也经过了特别设计,集火箭运输、起竖、发射脐带塔功能于一体,火箭稳稳地“躺”在上面,就完成了从测试到加注发射的所有流程。该车辆还能实现自动无人驾驶,通过“收集数据-计算位置关系-规划行驶路径-路径执行”的循环,能够保证车辆在发射阵地的自主导航驾驶及精确定位,三向定位精度误差不超过5毫米。
  
  精准控制:太空实现“上门投递”

  
  从地面将卫星送入几百公里外的地球轨道,飞行过程中的任何一个细微偏差,都可能导致不可挽回的损失。入轨精度越高,意味着卫星进行轨道调整所耗费的能量越少,可以有效提高卫星的在轨寿命。这是考验火箭能力的重要指标。
  
  火箭的飞行过程需要经历点火发射、级间分离、俯仰偏航、轨道修正、发动机关机及重新点火、载荷分离等一系列复杂动作,如何确保一系列动作的精准控制,这就要仰仗火箭的“神经网络”――控制系统了。
  
  长征六号紧跟国际运载火箭发展趋势,将控制、测量、供配电组成了全新的电气系统,实现了箭上信息一体化、供配电一体化和地面测发控系统一体化,有效提高了火箭电气系统的先进性、可靠性与适应性。在控制系统中,采用了双八表捷联惯组组合导航技术和迭代制导技术,综合利用地面测控网、导航星座系统和中继卫星,实现天基测控和地基测控相结合,在火箭飞行过程中对火箭状态进行实时测量,实现更高的导航精度,确保卫星入轨精度达到百米级,实现了点对点的投放,达到国际先进水平。
  
  工艺革新:航天“智造”迈向工业4.0
  
  紧跟国际先进水平,长征六号在设计中采用了全箭数字化协同研发及一体化总装集成技术,引入数字化研发技术和Top-Down设计思想,即工业4.0的技术,形成了从总体到分系统到重要单机、自顶向下的数字化设计流程,建立覆盖总体、分系统及关键单机的三维数字样机,替代实物模装,大大降低了研制成本。
  
  如果说将理论转化为设计,考验的是设计师的智慧,那将设计转化为实物,考验的则是能力。
  
  长征六号一子级采用了单台120吨液氧煤油发动机。在推力既定的情况下,要保证火箭的运载能力,减重是唯一的选择。
  
  为了更好地降低火箭自重,长征六号首次采用了大温差隔热复合材料夹层共底贮箱。由于使用液氧/煤油发动机,贮箱采用夹层共底结构形式,意味着夹层共底要承受液氧、煤油两个独立系统的正压、反压载荷,同时还要抵抗液氧和煤油之间将近200度的温差。科技人员耗时16个月,研制了22个贮箱,开展了六次低温加注、强度试验,最终攻克了夹层共底研制难题,并掌握了激光扫描及仿形加工、结构件整体胶接成型等关键制造技术。
  
  低温阀门的研制是另一道难关。长征六号的低温阀门有40多种、90余件,零件生产的精度有的要比常温阀门精确上10倍。液氧温度低至零下183摄氏度,作为火箭管路中的关键部件,阀门必须适应从零下196摄氏度到50摄氏度的大温度跨差工况要求,否则温差变化容易造成阀门产品的收缩、膨胀变形,从而影响气密。这对阀门的原材料选型、零件机加工精度、装配试验维护等等产生了一些列的影响。为了将阀门的变形减到最小,科技人员开展了为期10个月艰苦攻关和试验,最终掌握了低温阀门研制技术。
  
  多星发射:迈向商业发射新起点
  
  上世纪80年代,我国首次实现一箭三星发射技术,后续长征系列运载火箭也曾多次开展一箭多星的国内国际发射任务。一箭多星发射可以充分利用运载火箭的运载能力余量,经济便捷地将搭载卫星送入地球轨道,为卫星发射服务提供多种选择模式。
  
  长征六号首飞采用了一箭20星状态,将中国航天科技集团公司所属航天东方红卫星有限公司、深圳航天东方红海特卫星有限公司和国防科大、清华大学、哈工大、浙江大学6家单位研制的20颗卫星送入了预定的轨道,在国内属于首次。为了满足多星发射的需求,长征六号还在国内首次采用了全透波卫星整流罩,使卫星整流罩具备了全向透波能力,有力改善全箭力学环境和卫星环境条件,使得卫星在旅途中更加“舒适”。
  
  通过对多星发射技术的探索,我国形成了系列化、标准化的多星发射接口,为今后进一步降低卫星发射成本、提升多星发射能力奠定了技术基础。
(来源:中国科技网)

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