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全球最大固体运载火箭“引力一号”首飞成功,刷新多项纪录

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出品|网易新闻

导语:2024年1月11日,东方空间公司研制的“引力一号”遥一运载火箭从“东方航天港”号发射船上发射。姿轨控系统完成末修后,“廊坊空间一号”“三峡遥感一号”“联信盈达一号”三颗云遥一号气象空间遥感卫星进入轨道。“引力一号”运载火箭是国内运载能力最大的民商运载火箭和世界上最大的固体运载火箭。

一、跟其他固体运载火箭不一样的外观

“引力一号”运载火箭的外观很有特点,不同于世界上绝大部分的固体运载火箭只有一个光杆,该运载火箭采用了相同直径的助推器和一级捆绑设计,导致火箭整体比例相比M-V,谷神星一号,Vega等细长的火箭看起来不那么协调。甚至被戏称为“你刚玩KSP的时候会捏出来的火箭”。





但这绝对不是一拍脑袋想出来的构型。引力一号采用这种设计是体现了对海上发射的优化。2.65m固体火箭做到600吨推力在原理上没有任何问题。但这会带来多个问题,第一就是让火箭高度直接翻倍。想实现这么长的一级,必须使用分段浇筑固体火箭技术才能实现。增加了技术难度和投入,并且分段式固体火箭带来了额外的风险。

第二,由于“引力一号”并未在审核管理较为严格的内陆基地发射,而是选择了审批较为宽松的海阳进行海上发射,这就需要面对摇晃不定的海面了。如果做一个细长的固体火箭,那么对海面波高的要求会很高,不然火箭在不大的浪下就会产生极大的横摇。如果这个值过大有可能超出遥测和控制系统的测量能力,导致火箭出现起飞后横飞等一系列毁灭性结果。

第三,虽然2.65米直径固体理论上可以做到600吨推力,但由于它的直径过小,一方面导致工作时间不足,另一方面大燃气流量会导致发动机喉部尺寸会很大,因此喷管的扩张比不会很大,火箭性能也会受到影响,而更大直径的固体火箭发动机在火箭研发的时候并未出现,且价格会更高。因此“引力一号”火箭最终使用了更为合理且可靠的助推捆绑+芯级高空点火方案。

“引力一号”运载火箭采用伪四级固体方案,其固体助推器,芯一级和芯二级采用2.65m直径碳纤维缠绕复合材料(CFRP)壳体,装填被称为“中能推进剂”的,采用端羟基聚丁二烯(HTPB)作为粘合剂的固体推进剂。这种推进剂的海平面比冲可以达到255秒以上,真空比冲290秒以上。三级采用碳纤维缠绕复合材料壳体的高精度高空固体火箭发动机,搭配由东方空间自研的双组元姿轨控系统。姿轨控发动机采用一甲基肼-绿色四氧化二氮组合。在发射期间,海阳海上温度达到零下5℃,考虑到低温会对固体燃料产生影响,可能损害其力学特性等,“引力一号”被厚厚的保温层所覆盖,以免重蹈STS-51-L任务的悲剧。保温层在发射前6小时被取下。



“引力一号”运载火箭的助推器、一级和二级火箭均配备有推力矢量装置(TVC)以控制固体火箭摆动,驱动火箭进行偏航、俯仰和滚转三个通道上的控制。“引力一号”采用25kW超大功率电动伺服以驱动摇摆喷管,这项技术也在长征六号甲运载火箭助推器FG-112上用过,对标欧洲“阿丽亚娜6”火箭的P-120C固体火箭助推器。早期固体运载火箭,如Thiokol公司为Titan-3运载火箭配备SRM采用喷射高氯酸锶,高氯酸铵溶液等进行推力方向控制。长征11号运载火箭通过使用一个小的APU产生燃气供给TVC,这两者都存在着效率较低和可用工质有限的缺点。而电伺服是更先进的技术,拥有价格低廉和响应速度快,行程长的特点,但驱动力较小,因此在国内大型运载火箭上的使用有限。“引力一号”的成功发射将极大的拓宽电伺服的应用边界,为其在以后更大的固体火箭发动机(SC150)和液体火箭发动机上使用铺平了道路。

“引力一号”采用固体捆绑火箭也会遇到一些问题,一个显著的问题在于,由于固体火箭发动机的燃速和燃面并不恒定,导致固体火箭发动机的推力相比液体火箭发动机,会产生一定变化。而固体助推器装药的不均匀性会导致四根助推器产生的推力会存在略微变化。因此火箭需要针对这一项误差进行修正。这种技术最早用在“长征六号A”上,但“引力一号”完全依靠固体助推器提供控制力,因此对固体助推器控制的精度需求更大。通过采取大量模拟,优化软件逻辑,提升固体火箭助推器内弹道一致性,并且提前点燃第一级火箭以在助推器推力下降的时候获得足够的控制力等手段,东方空间已经成功克服了困难,实现了火箭首飞圆满成功。

“引力一号”火箭起飞质量为405吨,近地轨道运载能力6.5吨,500km太阳同步轨道运载能力4.2吨,700km太阳同步轨道运载能力3.7吨,未来换装液体末级的引力一号甲运载火箭500km太阳同步轨道运载能力计划为5.9吨。这个数字远大于目前“织女星C”的2.5吨,但其首飞考虑到可靠性原因,火箭并未完全向运载能力方面优化,而是增添了冗余,最终首飞载荷为3吨。

二、全球最大的固体运载火箭

作为世界上最大的固体运载火箭,它并不同于之前民营航天初创研发大多选择的200-300kg级小型运载火箭,或是和1吨级区间的“快舟11”,“捷龙三号”“中科一号甲”固体火箭竞争,而是选择直接和“朱雀二号”,“智神星一号”等4-6吨级运载能力的中型液体运载火箭同台竞技,甚至运载能力还要高一点,这也是不同寻常的。

“引力一号”的研发和首飞晚于目前市场上已经存在的小型固体运载火箭,而国内在这个运力区间市场下的竞争十分激烈,东方空间如果在第一款运载火箭上采用小型火箭方案,竞争过“谷神星一号”等成熟高性能固体运载火箭想必是不太容易的。

而固体运载火箭拥有研发周期短、研发成本低、场区周期短的特点,再加上东方空间从四院获得了2.65米直径固体运载火箭技术,再加上目前跟他运力范围重叠的“朱雀2”仍然处在痛苦的变革阶段,“智神星一号”因为发动机可靠性原因持续推迟,反而让固体的“引力一号”后来居上,瞄准目前正在推进的一系列中小型卫星星座研制。由于目前国内运力不足,运载能力形成的早,就能早捞订单,因此采用固体大型火箭方案反而是在市场环境下的一种智慧。“引力一号”从提出到发射只过了三年。东方空间表示,目前该火箭已经接到包括长光卫星在内的大量订单,数量和质量均居于国内民营首位。该火箭目前计划在2024年第三季度和第四季度再各发射一次。

一系列中大型低轨道互联网/通导/遥感星座的提出对目前民营航天运载火箭的性能产生了较高的需求,如星网工程和G60“沪联网”。而大批量发射这种卫星的话,目前3.35m级别的中型运载火箭并不够看,需要更大的低成本10-20吨级运力的运载火箭,如“朱雀3”“天龙3”等,但这些火箭首飞都要到2024-2025年以后。事实上一款中高性能液体运载火箭的研发需要至少2-3年的时间和较大的资金投入。入局较晚的公司必须形成一种快速产生较大运力的方案。因此东方空间借助“引力一号”运载火箭较大的运载能力仍然可以夺得先机,提前开始批量化发射。为此“引力一号”配置了4200mm大直径整流罩,以适合低轨道星座的堆叠或者侧挂发射方案,也可以发射中小型的货运飞船或商业卫星拼车发射等载荷。



但是我们仍然需要明白,固体运载火箭受制于燃料成本和较高价值的壳体等限制,单位成本一般不会低于7万人民币每公斤(得益于规模较大,“引力一号”运载火箭的单位成本低于5万人民币),而液体运载火箭可以达到更低的价格。先进高性能重复使用液体火箭更能大幅度降低发射成本,是实现大型星座建设必不可少的项目。东方空间也在推进属于自己的大型液体运载火箭“引力2号”的研制,该运载火箭使用的“原力-85”液氧/煤油火箭发动机在2023年底实现了半系统试车(即燃气发生器-涡轮泵联合试验)。为攻克重复使用的技术难点,东方空间计划在1年内实现垂直起降演示任务。目前该公司已经宣布攻克了先进箭上计算机,凸优化算法等,计划在2025年首飞“引力2号”大型液体运载火箭。东方空间CEO表示该火箭单位成本能够接近一次性“猎鹰9”。

结语:另外,此次发射使用的“东方航天港”号发射船是国内首条专用发射船。该船排水量22000吨,采用全电推进并且配备自动定位维持系统,可以在海浪冲击的情况下依靠船体侧面的螺旋桨推进实现稳定。但自动定位系统并未在本次发射中使用,而是采用了四个锚分别固定船的四角。“东方航天港”号还能执行远海发射,并且实现液体运载火箭的发射和回收。在闲暇时刻还能充当运输船进行大件货物运输,实现了一船多用。

责任编辑:王懿宁_NB27218

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