——扒一扒那些助力长征六号运载火箭首飞成功的技术“内功”

内功一-“秘密武器”助长六精准入轨

从起飞到精确入轨，长征六号运载火箭历时900余秒。“为了帮助长六火箭精确入轨，科研人员尝试着在很多方面进行改进和创新，付出了不少心血。”长六火箭副总设计师丁秀峰如是说。

数字总线：为精确控制“添翼”

火箭控制系统与人的神经中枢系统是一样的，它保证了火箭能够按照预定轨道飞行，并最终精准地将目标送入预定轨道。在“长六”首飞之前，我国已经将近20年没有研制过全新的运载火箭。虽然现役火箭控制系统部分在不断改进，但是技术水平仍停留在上世纪90年代。

我国现役火箭的控制系统中，信息传输主要采用传统的模拟电缆点对点方式，整个系统结构复杂，生产测试过程成本很高。与之相矛盾的是，未来火箭各分系统间需要进行大量的信息交换，模拟电缆传输已经无法满足需求，更无法实现冗余设计和故障的自动监测隔离。

“在此次成功发射的长六火箭上，设计人员开拓性地应用了1553B总线技术的控制系统设计，这一设计实现了全箭信息数字化传输和综合利用。”长六火箭控制系统主任设计师周如好介绍说，从模拟电路技术跨越至数字总线控制系统，这在我国新一代运载火箭控制系统中尚属首次。

周如好打了个比方：“在采用传统模拟电缆时，信息要像汽车一样通过电缆的‘乡道’走上‘县道’，然后再经过‘县道’走上‘市道’‘省道’，最后才奔上‘国道’到达终点站。‘乡道’‘县道’‘市道’窄小难走，信息传输容易出现问题。这就是模拟电缆技术的弊端。而在采用数字总线技术之后，信息可以直接从‘省道’驶入‘国道’，快速方便并能降低出错率。”

数字总线技术保证了箭上控制系统计算机与各单机之间实现快速、准确的信息互通，为长六火箭实现精确控制提供了便利条件。

迭代制导：入轨精度高+抗干扰

我国现役火箭为了实现精确入轨，大多数采用摄动制导技术。科研人员在火箭的出发点和入轨点之间规划一条固定路线，火箭在飞行过程中只要发生轨道偏移，就要先回到预定轨道上，然后再继续飞行。

为了使火箭的制导功能更加灵活机动，同时也更节省燃料和时间，长六火箭的设计师们专门研制了迭代制导技术。运用新技术后，火箭在飞行过程中一旦发生偏离轨道的情况，不用再回到预定轨道，而是从所在位置直接规划入轨的最优路线，驶入最终轨道。

“采用迭代制导技术，可以在很大程度上提高火箭入轨精度和对太空干扰因素的适应性，‘长六’成功应用此技术也为新一代运载火箭提高整体质量作出了贡献。”丁秀峰说。

双八表捷联惯组：为火箭提供精准判断力

一枚火箭的精确入轨，是多个系统密切合作的结果。任何一个系统“不给力”都会导致最终的实施效果不尽如人意。

长六火箭在飞行过程中除了需要有精准控制的能力外，还需要有精准判别的能力。为了让“长六”能够清晰地洞察自己的飞行轨迹，科研人员为它配置了一双敏锐的“眼睛”——双八表捷联惯组。

惯组作为捷联惯性系统的核心部件，在运载火箭控制系统中负责测量箭体相对空间的速度和加速度，经过坐标变换和计算机计算后，可得到箭体的各种导航信息。

长六火箭上装配的双八表捷联惯组由两部分组成，其一是八表激光惯组，其二是八表光纤惯组。“八个表的惯组是我国现役火箭型号的最高配置，并且激光惯组和光纤惯组同时使用也属首次。”惯组系统主任设计师王鹏说。

双八表捷联惯组按照主从冗余模式，以激光惯组为主份系统。一旦发生故障后，将整体切换到备份的光纤惯组上。双八表惯组的使用，在满足火箭高可靠的要求下，成功解决惯组系统可靠性、经济成本、测试复杂度等多个制约因素之间的矛盾，保证了长六火箭惯组系统高可靠度和高精度，也为其精确入轨奠定了基础。

为“长六”提供精准判断能力的除双八表捷联惯组之外，还有它配备的多星座导航接收机。

多星座导航接收机与双八表捷联惯组配合，为“长六”提供精确的测量定位，这款接收机除了兼容美国GPS系统、俄罗斯格洛纳斯系统之外，还能接收到我国自主研制的北斗二代导航系统信号。这三种信号综合在一起，就能可靠、精准地确定“长六”飞行过程中的位置。（姚天宇）

内功二-可靠性：做减法与控风险的辩证法

Less is more，这条被苹果创始人乔布斯奉为圭臬的设计理念，成就了苹果公司的独特产品风格与江湖地位。在长征六号火箭研制中，这种“少，即是多”的理念也被贯彻于产品设计之中，火箭可靠性即是一个鲜明的例子。

我国现役火箭可靠性指标一般为0.95，唯一的载人火箭长二F的可靠性指标为0.97，而“长六”的可靠性指标为0.98。

长六火箭总设计师兼总指挥张卫东介绍，“长六”立项之初，就秉持着“低成本、高可靠性、适应性强、周期短”的设计原则。而在“高可靠性”方面，遵循着“简单即可靠”的可靠性设计原则，在单机或系统设计时力求简单可靠，并通过严格的质量保证体系和质量管理制度，控制产品的设计和生产质量。

这样的设计理念有其现实压力。为了保证型号的可靠性，传统方法是通过增加安全冗余的方式来解决。“冗余设计和火箭性能有相互矛盾之处”，长六火箭副总设计师周遇仁认为，冗余设计就得增加单机，加单机以后就会降低火箭运载能力，而为了保证火箭的运载能力，又只能将火箭设计得更加庞大，如此下来，“长六”必将偏离其设计初衷。

要在螺蛳壳里做好道场，就得在设计理念上进行突破，这也是“新一代”特点所在。

与传统增加冗余设计的做法不一样的是，“长六”通过做减法的方式来提升火箭的可靠性。

为了使发动机稳定燃烧，发动机燃料输送需要保持一定的压力，成熟的做法是利用高压气体输入贮箱加压，但如果采用这种方式，“长六”需要使用12个气瓶，这不仅意味着在火箭上增加了12个风险点，同时还将使火箭失去“低成本”的优势，火箭重量也增加了。对此，火箭研制人员创造性地从发动机引出一股气为氧箱增压，用一个管路解决了12个气瓶带来的难题。

“长六”的电气系统采用统一供配电、统一信息管理和一体化测试发射模式，地面一套电源系统和箭上一套电源系统完成地面测试和飞行过程中电气系统的供电需求。

通过1553B总线传递控制和遥测信息，简化了控制和遥测系统的设计，全箭仅2个脱拔便可完成电气系统的测试和发射任务。一体化测发模式简化了地面测发设备的数量，通过合理优化电气系统的拓扑结构，简化了系统配置，提高了系统可靠性。

在“长六”上，通过做减法来减少火箭风险点的做法还有很多，这种方式突破了传统火箭的设计理念，提升了火箭的可靠性。（陈龙）

内功三-身材苗条，是为了更轻盈地起舞

在这个崇尚“苗条美”的时代，长征六号火箭作为我国新一代运载火箭家族中登上太空大舞台的排头兵，当然要先把自己锻炼得十分精壮。

不过帮长六瘦身，实在不是一件容易的事情。哪个部位要减重？究竟瘦到多少斤？减重之后还能不能矫健飞行？这都是要考虑的问题。

但“长六”的科研团队实力极其强大，他们从技术和工艺两方面双管齐下，使“长六”瘦身成功，现在火箭的起飞重量仅有103吨。

国际上液氧煤油火箭大都用氦气增压系统，而“长六”与众不同。氧箱自生增压技术解决了液氧增压系统化繁为简的难题，这在国内外的火箭中可是第一次成功应用。这套技术成功解决了水和二氧化碳等杂质进入氧箱后可能会凝结、结冰的难题，简化了系统设计、降低了成本、提高了系统的可靠性。

如果按照常规的火箭动力系统设计理念，“长六”还要被安装上12个氦气瓶。要知道，这12个气瓶的总重量会达到300多公斤。自从科研人员决定采用自增压技术后，这12个气瓶被果断取消了。现在，“长六”身上仅仅增加一根增压管和换热器就可以把氧箱增压的问题完全解决了。

为了帮“长六”减重瘦身，研制团队煞费苦心。他们大胆地提出把火箭的“粮食”——液氧和煤油装在同一个贮箱内的方法。

如果按照现役火箭的设计思路，“长六”的第二级内部应该被安装上液氧箱和煤油箱两个大大的箱体，为了隔开箱体还要安装箱间段。现在，研制团队只设计了一个夹层共底贮箱，就成功把之前两个箱体的功能完全囊括了。

这个夹层共底贮箱由4部分组成：外部箱体、氧舱、煤油舱以及两舱之间的共底夹层。夹层用复合材料制造，并在夹层之间铺上泡沫，隔绝了上下两舱之间液氧和煤油近200℃的温差。这种工艺在之前的火箭中从来没有用过，而且共底面板壁厚仅仅为0.8毫米。

与分别安装液氧箱和煤油箱相比，在运用共底贮箱之后，“长六”至少减重100公斤。

另外，长六火箭“高大上”的卫星整流罩由原来的铝合金材料改成了纸蜂窝复合材料。这一改变让卫星整流罩不仅实现了全向透波，而且重量比之前大大减轻。

这些改变让“长六”真正瘦身成功，科研人员的努力给了“长六”一副直冲云霄的强健好身板。（姚天宇）

内功四-自增压技术：化繁为简的大智慧

在火箭上，燃烧剂和氧化剂分开“居住”——他们都有自己的贮箱，但是当发动机点火指令一下达，二者就需要“见面”产生化学反应，并充分燃烧，为发动机提供稳定而又源源不断的动力，推动火箭飞翔。

在液氧煤油发动机增压输送系统研制过程中，如何让液氧和煤油“见面”大有学问。

长六火箭总设计师兼总指挥张卫东介绍，立项之初，技术人员提出了多个方案来将液氧输送到发动机，经过多轮技术筛选，氦气增压和自生增压两种方案脱颖而出。

氦气增压是指用氦气对推进剂贮箱进行增压，保证推进剂系统正常工作。该技术较为成熟，若要将其运用到火箭上，需要设计一套氦气增压系统。张卫东介绍，该方案虽然成熟，但需要在火箭上安装12个氦气瓶，同时还有阀门、管路等一套增压设备，这样做必然带来火箭重量的增加与体积的变大。

同时，作为一型低成本的火箭，一套氦气增压系统将增加火箭成本，单机的增多也意味着增加了风险点，而在紧凑的长六火箭中进行系统维护也是一件困难的事情。

相比较而言，自生增压技术有着太多诱人的优势。这种技术化繁为简，它从发动机主泵轴承后引出一小部分液氧，经氧蒸发器加热汽化后送至液氧箱中增压，“顾名思义，自生增压就是靠火箭自己来增压。”长六火箭副总设计师、液氧煤油发动机总设计师刘红军言简意赅解释道。

尽管自生增压的优点显而易见，但是要在工程上将其转化成现实并不容易。对于长六团队来说，放弃一项在国际上成熟采用的技术方案，而“偏向虎山行”研发全世界都没在液氧煤油火箭上应用过的技术，这需要极大的勇气。

在技术上，首要的难题是自生增压气体杂质。发动机结构特殊，引出的液氧管路含有少量的水蒸气和二氧化碳，当水蒸气和二氧化碳进入液氧箱后会凝结成冰，就可能堵塞发动机液氧输送管路上的滤网，这将对发动机带来致命的威胁。

为了攻克这一难题，研制人员没少走弯路。动力系统整个团队咬紧牙关，一步步、一次次攻克了多个难题，并终于在2009年的夏天，顶着炎炎烈日，艰难地完成了自生增压地面试验等多个地面试验考核。一车车液氧、一瓶瓶氦气和一滴滴汗水，凝结了整个团队的心血。正如张卫东所言：“自生增压技术我国是第一次搞，哪能不交点学费呢。”

2012年11月27日，“长六”顺利完成了一级动力热试车，验证了自增压系统与发动机匹配合理，这也意味着研制团队在国内外首次实现了该项技术。同样，这种“化繁为简”的思路也得到了完美体现。（陈龙）

内功五-首飞验证 意义重大

9月20日，长征六号火箭如期成功踏上飞天征程。“长六”作为我国新一代运载火箭的“首发队员”，是当之无愧的航天“急先锋”。

从2009年8月立项开始，长六研制工作耗时6年。作为新一代运载火箭的“探路”型号，“长六”的动力系统试验、控制系统试验、结构试验、发射场合练等多项重要节点工作，提前于新一代运载火箭的其他兄弟型号，按照计划顺利开展，所以它最先具备首次飞行条件。

“我们就是要把工作做实、做细。”长六火箭总设计师兼总指挥张卫东说，“长六”能顺利研制，是因为科研人员在型号研制过程中时刻坚守着“该想的全要想到、该做的全要做到、该分析验证的全要分析验证到”的理念。

“长六”作为我国新一代运载火箭的急先锋，它的诸多研制技术在我国航天史上具有划时代意义。比如动力系统中液氧煤油发动机的成功应用。

液氧煤油发动机的研制是我国新一代运载火箭动力系统的主攻方向。与“长六”相同，未来几年，在我国将陆续升空的长征五号和长征七号运载火箭当中，液氧煤油发动机将得到进一步应用。

只不过，与被定位为中小型运载火箭的“长六”相比，我国大型运载火箭“长五”“长七”虽采用相同的液氧煤油发动机，但数量要多很多。这也成为我国将“长六”定为新一代运载火箭首发的重要原因之一。

“虽然我国新一代运载火箭液氧煤油发动机的研制过程比较顺利，在多次试验中表现出了极强的稳定性和可靠性，但是真正作为动力系统被装配到火箭当中进行发射，仍需要多一份谨慎。”张卫东表示，“长六”作为新一代运载火箭首飞，检验液氧煤油发动机的实际性能是非常重要的任务。

“如果在飞行过程中，液氧煤油发动机表现完美，那么接下来要执行飞天任务的长征五号、长征七号就可以放心使用这种发动机。”张卫东的言下之意是，如果这次“长六”执行任务过程中，液氧煤油发动机工作正常，那么积累的使用经验将为“长五”“长七”的首飞成功增添一分把握。

“长六”担负着开启我国航天新征程的重任，压力不言而喻。然而它从研制到发射的征途并不孤单。“由于型号诸多技术相同或相近，从2009年立项开始，长六研制团队每年都要与同属于我国新一代运载火箭的长五、长七研制团队进行业务交流和探讨。”长六火箭副总设计师李程刚说。

每次交流，新一代运载火箭型号轮流“做东”，每个型号团队都会提前收集资料、整理一段时间以来每一个型号所遇到的问题，然后几个型号团队共同针对难题集智攻关。

李程刚认为，“长六”的成功发射不仅倾注了本型号研制团队的心血，也倾注了新一代运载火箭其他型号研制团队的智慧和关注。“几个型号联合起来解决研制过程中的难题，不仅效率高，而且还达到了举一反三的效果。”

经过6年时间的潜心研制，“长六”成功首飞，这意味着我国新一代运载火箭研制的诸多难题得到解决。同时，“长六”首飞的压力也被转化为动力，推动了我国航天科研队伍的成长，让中国航天在开启新征程中积累了大量科学管理经验，就正如张卫东所言，“长六火箭的成功首飞，让我们获益良多”。（姚天宇）