【环球时报报道记者樊巍范安琪】编者的话：7月27日，由中国科学院力学研究所抓总、中科宇航公司参与研制的我国当前最大的固体运载火箭——“力箭一号”在酒泉卫星发射中心成功首飞，将六颗卫星送入500公里太阳同步轨道。在此之前，中国商业航天火箭太阳同步轨道的运力均在1吨以下。在国外商业火箭通过一次发射就能实现卫星星座组网的背景下，太阳同步轨道运力达1.5吨的“力箭一号”的首飞成功无疑极具意义。而该型火箭在快速响应、精确入轨、无依托发射等方面所取得一系列的技术突破，也进一步拓展了中国的太空应急发射能力，为中国固体运载火箭技术的发展提供更多可能性。针对相关话题，《环球时报》近日专访了中国最大固体火箭研制团队。
依托成熟技术，追求模式创新
通常而言，一款固体火箭型号从立项研发到实现首飞需要5-10年的时间，而“力箭一号”从2019年正式启动至2022年7月成功首飞仅用了3年多的时间。近日，“力箭一号”总体副总师史晓宁在接受《环球时报》记者专访时表示，3年刷新中国之最的背后，是一条建立在中国成熟的航天工业基础之上的创新思路。
《环球时报》记者梳理后发现，此前已迈入成功发射“门槛”的国内商业航天火箭多为固体火箭。许多国内商业航天公司在制定发展规划时，也将发展固体火箭列为“优先项”，而此次“力箭一号”的首飞成功，则再一次凸显了固体火箭在中国商业航天中的“主流地位”。
箭体直径达2.65米的“力箭一号”的成功发射，进一步将中国固体运载火箭太阳同步轨道的运力提升至1.5吨，这一短期内跨越式的发展，除了依托于我国成熟的固推技术之外，创新性的顶层设计也在火箭的研发进程中起到了事半功倍的效果。
史晓宁介绍称，商业航天鼓励创新，现有商业固体火箭多是在成熟设计技术方案基础上，追求箭上单机产品的创新研发。“力箭一号”项目团队则反其道行之，将创新的重点聚焦于火箭的总体设计，一改“总体设计统筹各分系统，再整合单机产品”的传统研发思路，取消了各分系统，实现了扁平化的管理。
以火箭的航电系统为例，“力箭一号”航电系统箭上核心单机采用综合电子设计思想，实现了“单机功能化、功能模块化、模块通用化”。
“力箭一号”航电副总师朱永泉介绍称，“我们设计的这套新型航电系统构架，箭上和地面设备相对传统型号数量分别减少50%和80%以上，使得‘力箭一号’具备高通用性、高经济性和强移植性的优势。”
据了解，在拥有目前国内最大的固体运载火箭总体优化设计的成功经验后，下一步中科宇航将继续拓展和丰富中国固体运载火箭的使用场景和谱系，除了将要建设“力箭一号”的海上发射平台之外，一款直径达3.5米的新型固体火箭正在研制当中。史晓宁透露，这款固体火箭将对标欧洲3.4米直径的织女星-C火箭，火箭发动机将实现140吨装药，能将中国的固体运载火箭太阳同步轨道运载能力提升到两吨以上。
此外，项目团队还计划进一步运用集成化的思路，在“力箭一号”的基础上捆绑三枚固体推进器，研发我国首款全固体捆绑运载火箭，进一步在现有的型号基础之上提升运力，该型火箭未来还有望成为中国空间站货运飞船的运载工具。
多项突破性技术应用场景广泛
相较于液体火箭，固体火箭的显著优势在于快速响应和无依托发射能力，劣势则在于发动机无法多次开关机，入轨精度难以控制。在大吨位的“力箭一号”身上，固体火箭的优势得以保留，劣势则因为独创性的设计和技术得到了改进。
“力箭一号”技术厂房准备时间7天，转运至发射工位后5小时，具备发射条件。这种大吨位固体火箭快速响应能力的背后，则是水平总装、水平测试、水平转运和快速对接起竖“三平一竖”技术做支撑。
“力箭一号”发射支持副总师胡小伟在接受《环球时报》记者采访时称，此前国内的固体运载火箭起竖装置多为整体刚性结构，但对于“力箭一号”这样的大载荷而言，这套结构已不适用，为了论证非刚性起竖装置的可行性，项目团队调研了国内几乎所有的大型机械制造和液压系统生产厂商，得到的反馈都是这种非刚性起竖方案风险太大，但经过团队科研人员大量的理论计算和分析却发现这种方案是可行的。“于是我们决定自己开展攻关研究，解决了设计和工艺上的诸多问题，现在这套系统不仅可以起竖130吨的‘力箭一号’，起竖重量达160吨-170吨的火箭都是没有问题的。”胡小伟透露，如果进一步提高该装置的结构强度，还可以起竖规模更大的固体运载火箭，这将极大拓展大吨位固体火箭的应用场景。
此外，“力箭一号”的成功首飞还创下了大吨位固体运载火箭高精度入轨的佳绩，最终测定的卫星入轨半长轴与目标轨道仅相差500米。在“力箭一号”飞控副总师廉洁看来，固体火箭能取得这一成绩极为不易，“液体火箭可以通过多次开关机实现高精度入轨，但固体火箭就像是一个‘炮仗’，一旦开机，就需要等待发动机耗尽关机，特别是‘力箭一号’的四级发动机是目前国内最大的末级固体火箭发动机，即便关机后，发动机产生的‘后效力’依旧很大。为了保证精确入轨，只能通过一些主动性的策略，提升火箭控制系统的安全性和可靠性，同时让火箭具备智慧飞行的能力，控制好能量的分配。”
相较于传统火箭通过火工品实现级间分离，“力箭一号”创新性地使用了大推力、无污染的冷气分离系统。承担这一技术攻关任务的“力箭一号”结构副总师张延瑞介绍称，这套系统将压缩冷气作为“空气弹簧”，利用冷气推冲装置提前充气蓄能、级间解锁时产生的大推力实现级间平稳分离，同时，通过冷气侧推喷气系统还可以将已分离的火箭级段推偏，以免发生碰撞。
为了解决固体火箭耗尽关机也能实现精准入轨的问题，“力箭一号”还将两级能量管理的技术应用于火箭控制，让火箭在三级飞行段俯仰方向和四级飞行段偏航方向进行自主机动，这就像让火箭在太空中‘跳了一支舞’，保证火箭在进入预定轨道时将能量耗尽，从而达到高精度入轨的效果。”廉洁透露，“力箭一号”在首飞中采用这种方式依次将六颗卫星送入预定轨道，星箭分离后仅仅几十秒，六颗卫星就已开始正常工作，待到卫星围绕太阳同步轨道完成第一圈飞行后，所有卫星都传回了首批数据。
发展可重复使用火箭势在必行
从商业航天发展趋势看，可重复使用技术是发展太空旅行必须突破的核心技术，这种前沿技术也是中科宇航研发团队下一步突破的重点。
在美国SpaceX公司已成熟运用重复使用技术服务于商业航天后，中国航天何时掌握这种能力一直是公众高度关心的话题。对此，张延瑞认为，国内目前已累积了实现火箭重复使用的相关技术能力，特别是对火箭回收相关算法的验证，以及对回收着陆方式的试验验证。“SpaceX公司是经历了很多次失败才摸清楚这项技术的边界条件，而我们进行相关试验验证的次数有限，需要为回收技术试验创造一个宽松的环境和氛围。”张延瑞称。
史晓宁也认为，对于可重复使用技术的掌握，需要重点攻关回收技术的算法，包括发动机的变推力能力和多次启动能力都需要进行验证。
令人感到欣喜的是，今年5月，由中科宇航自主研发的“玄鸢一号”20吨级液氧煤油火箭发动机圆满完成长程试车考核。该型发动机具备60%到100%的推力调节能力和三次起动能力，未来可作为中科宇航液体火箭、亚轨道飞行器等运载器的主动力，满足可重复使用的需求。而在此次长程试车中，“玄鸢一号”实现了三次连续不下台整机点火试验，为掌握多次起动技术积累了试验数据，为实现可重复使用技术提供了有力的技术支撑。
而在回收算法方面，中科院力学所也于去年进行过火箭回收相关算法的验证，“当时我们运用一台搭载涡喷发动机的飞行器在山东海阳做了一项回收试验，回收的精度非常高，飞行器着陆的地方离预定着陆点仅相差零点几米。在今年或者明年我们还计划从陆地发射大型飞行器，进行海上回收的相关技术试验，进一步验证相关算法。”史晓宁透露称。
按照中科宇航的发展规划，掌握了成熟的可重复使用技术之后，中科宇航将推出公众可及的亚轨道太空旅游飞行器。该飞行器将采用单级火箭和旅游舱的组合形式，单次飞行可搭乘7名游客，在10分钟飞行过程中，乘客将穿越100公里的卡门线，体验3分钟摆脱地心引力的失重感，最后，旅游舱将通过伞降方式安全着陆。这款太空旅游飞行器的单级火箭的可重复使用次数将大于30次，单人单次票价约为200万-300万元人民币。