长征八号运载火箭首飞意义及关键技术

吴义田 陈晓飞 张津泽 徐珊姝 杨树涛 刘银 赵永志 宫长辉 （北京宇航系统工程研究所）

长征八号运载火箭在文昌航天发射场成功发射

作为我国新一代中型运载火箭，长征八号（CZ―8）运载火箭于2020年12月22日首飞成功！长征八号火箭填补了我国太阳同步轨道（SSO）运载能力的空白，突破了发动机推力调节、基于数值仿真的动特性获取、飞行载荷控制、Ka频段高码率天基测控等一系列关键技术，并成功进行工程应用。长征八号运载火箭具有适应性强、运载效率高、经济性好等特性，未来将逐步成为我国中低轨运载火箭的主力。

1 引言

近年来我国航天事业迅猛发展，国际商业航天发射市场对中低轨航天器的发射需求越来越庞大，而“长征”系列运载火箭各自的定位和使命不同，当需要执行3～5t级左右的SSO轨道发射任务时，长征五号和长征七号大材小用，长征六号和长征十一号又难以扛起重任。

长征八号火箭秉承了新一代运载火箭“模块化、组合化、系列化”的发展思路，采用模块化组合的方法进行研制，具有良好的继承性、经济性、先进性和适应性，可以满足未来中低轨高密度发射任务需求。长征八号火箭采用了绿色无污染推进剂，是新一代运载火箭型谱的重要组成，为后续运载火箭的升级换代提供有力支撑。

2030年前，主流的1～8t中型航天器的发射需求非常庞大，其中，中、低轨道占59%，97%的发射任务都可以用长征八号火箭执行。同时，当前星座组网发射成为爆点，以商业发射、“一箭多星”为主要特征。预计2023年前后，星座发射年均将达到10次以上，长征八号火箭作为商业发射的有力竞争者也很有优势。

“十三五”中期，长征八号火箭立项并开始研制，火箭定位为：填补新一代运载火箭型谱空白，形成可覆盖1～5t SSO运载能力低成本主力中型火箭；对标国际一流，降本增效，打造出一款具有国际竞争力的火箭。

2 火箭总体情况

长征八号火箭采用芯级捆绑2枚助推器构型，全长约50.3m，起飞质量约356t，起飞推力约480t，700km SSO轨道运载能力不小于4.5t。

火箭芯一级直径3.35m，配置2台120t级YF-100液氧煤油发动机；捆绑2枚助推器，直径2.25m，各配置1台120t级YF-100液氧煤油发动机；芯二级直径3m，配置2台8t级YF-75氢氧发动机；整流罩直径4.2m。

长征八号火箭由箭体结构、动力系统、控制系统、测量系统、总控网系统和地面发射支持系统组成。

长征八号火箭系统构成

3 火箭特点

适应性强

长征八号系列火箭可以完成不同轨道的发射任务，可以为低轨星座、低倾角卫星、小型电推进高轨卫星等提供服务；700km SSO运载能力覆盖3.0～5.5t级，可满足大部分中大型有效载荷或多星组网的发射需求。

长征八号火箭配套形成了两款整流罩，整流罩A的直径为4.2m，柱段高度为4.5m，罩内最大可用包络Ф3.85m；整流罩B直径为4.2m，柱段高度为8m，罩内最大可用包络Ф3.8m。采用国际标准的星箭接口，可用660、937、1194、2334等线性连接解锁装置；可采用标准化、通用化的点式连接解锁装置，灵活适应卫星“一箭一星”或“一箭多星”的发射需求。

运载效率高

运载效率为火箭运载能力与起飞质量的比值，是表征火箭性能的一项重要指标。长征八号火箭作为一款带捆绑的液体中型运载火箭，采用组合化、模块化研制，从立项到首飞成功，仅用时3年多，创造了我国运载火箭研制时间最短的纪录。长征八号火箭采用了液氧/煤油、液氢液氧等推进剂，在SSO轨道发射市场领域，其运载效率处于国内领先水平。

经济性好

为了适应国际航天的发展趋势，各国都在积极降低发射成本，参与市场竞争。欧洲阿里安-6（Ariane-6）火箭期望将地球同步转移轨道（GTO）的价格从阿里安-5的2万美元/kg降低50%，并在未来降至5千美元/kg。而太空探索技术公司（SpaceX）面向SSO轨道小卫星搭载的报价已经是5千美元/kg。长征八号火箭对标国际，从设计阶段开始，采用一系列方法积极降低发射成本，参与市场竞争。

长征八号火箭主要降低成本的技术手段包括：①充分继承已有的技术，并尽可能实现产品化设计；②采用成本低廉的材料，成熟高效的工艺，以降低制造成本；③采用一体化的电气系统，以减少产品配套，这也是降低成本的有力措施；④简化地面产品配套，形成一体化的地面测发控系统，并通过集成优化来降低成本；⑤通过天基测控等手段，降低对地面系统的依赖，可以降低发射成本。

基于上述设计思路与方法，长征八号火箭首飞实现了部分降低成本的技术应用，后续还将迭代改进，进一步提升经济性。

4 关键技术

长征八号火箭突破了发动机推力调节、基于数值仿真的动特性获取、飞行载荷控制、Ka频段高码率天基测控等一系列关键技术。

发动机推力调节技术

发动机推力调节技术是未来实现火箭重复使用、降低成本的重要技术。长征八号火箭实现了发动机推力调节技术的首次工程应用，是国内首个在飞行中采用发动机推力节流的火箭，为火箭的可回收式设计积累了重要的工程经验。研制人员结合YF-100发动机节流参数设计、适应性改进、试验验证等环节，完成了关键技术的攻关。

我国现役运载火箭SSO轨道运载效率对比

1）完成了发动机节流参数及减载设计的闭环，明确发动机节流指标。针对不同节流比例开展了最优能力弹道设计，在设计过程中考虑各项火箭弹道设计约束，确定火箭首飞任务中发动机节流比例为77.5%。

2）发动机完成了节流研制，先后完成1台2次低工况长程试车，以及与控制系统、伺服机构等联合试车，考核了长程、低工况工作的性能，验证了系统间的匹配性。

3）控制系统确定节流控制方案，开展了2次推力调节电机控制匹配试验，验证了变频控制规律，以及驱动电路与步进电机之间的匹配性。

发动机推力调节试车

4）一级伺服机构针对芯一级发动机77.5%工况进行了适应性改进，并完成了性能验证试验，可适应发动机变推力工况。

基于数值仿真的动特性获取技术

长征八号火箭是我国首个研制阶段未开展全箭模态试验的捆绑式运载火箭，如何快速准确获取全箭动特性数据成为研制中必须攻克的一项关键技术。

长征八号火箭提出基于已有箭体模块试验数据和数值仿真分析相结合的全箭动特性获取技术方案，创新采用基于关键部段连接刚度敏感度影响分析的模态数据偏差选取方法，并首次将模态振型斜率精细化预示技术应用于型号设计实践；先后进行全箭精细化动力学建模及模型组装、模块连接关键部段刚度敏感度影响分析、惯性器件振型斜率精细化仿真预示、相似型号模态试验数据及偏差统计包络分析、靶场竖立模态试验验证5个方面工作，快速准确获取全箭动特性参数，保障首飞成功。

1）创新提出基于关键部段连接刚度敏感度影响分析的模态数据偏差选取方法，很好地解决了未开展模态试验情况下，动力学模型准确性量化评估难题。

2）建立惯性器件安装舱段整体及局部精细化动力学模型，首次将模态振型斜率精细化预示技术应用于型号设计实践。

3）组织发射场全箭竖立状态模态试验，提出采用竖立状态模态试验数据验证飞行状态全箭动力学模型的方法，充分利用地面试验降低首飞技术风险。

发射场全箭竖立模态试验

飞行载荷控制技术

传统研制设计流程一般是根据飞行载荷来设计箭体结构，并通过部段静力试验考核箭体结构是否满足设计载荷要求，通过静力试验即代表满足了飞行任务的承载要求。而长征八号火箭是基于已有箭体结构模块进行研制，箭体的承载能力已固定，其研制流程是通过多轮次弹道、姿控、载荷等相关专业的迭代优化设计，使得飞行载荷不超出已有箭体结构承载能力。为了减低飞行载荷，长征八号火箭采用的飞行载荷控制技术共使用了如下4项子技术。

1）发动机节流。通过使用该技术，可以在进入大风区之前，降低火箭的加速能力，降低其在稠密大气段的速度，从而减少动压，降低火箭在大风区段的弯矩载荷；

2）弹道风修正。运载火箭在穿过稠密大气时，由于高空风的存在，会产生附加气流攻角，对飞行中的气动载荷产生不利影响。为改善火箭的飞行条件，弹道可根据高空风速风向与火箭射向的关系，通过预先调整飞行姿态，进而降低飞行中气流攻角；

3）主动减载。通过箭上安装横法向加表，将加表测量的横法向加速度引入控制回路，通过降低气动干扰产生的载荷攻角和摆角来降低载荷；

4）载荷精细化设计。通过提升火箭飞行弹性弯矩载荷的准确性，主要通过提升阵风随机干扰外激励的准确性，将传统方法进行精细化设计，降低飞行载荷。

通过上述4项技术的研究及应用，减载效果明显，各项减载技术匹配性好，满足了火箭结构的承载能力要求。

Ka频段高码率天基测控硬件设备

Ka频段高码率天基测控

长征八号火箭应用Ka频段3Mbit/s天基测控系统弥补地基测控的测控盲区，完成箭上二级遥测参数高速下传，降低了火箭发射对测控的强依赖性。天基测控子系统主要由中继测控终端和Ka频段相控阵天线以及相应的电缆网组成。

中继测控终端用于接收箭上PCM数据流，按要求对全帧数据进行挑路，形成返向链路数据流，并从中挑出实时的起飞、火箭位置、姿态信息，根据上述信息计算相控阵天线的波束指向，使其波束对准中继卫星，完成天线的双向捕获。

Ka频段相控阵天线采用二维有源相控阵天线设计，主要用于波束指向角度信息转换成相应的波控码，通过控制阵列天线各单元的相位，在中继卫星方向得到同相合成的高增益波束，配合测控终端完成与中继卫星系统之间无线信号的传输，实现运载火箭系统和中继卫星的通信。

相控阵天线采用程序跟踪模式，接收火箭的实时位置、姿态、时间等信息，计算出波束指向角，由相控阵天线波控器根据指向角控制移相器实现发射波束的正确指向。

Ka频段相控阵天线设计主要涉及波束指向算法、高可靠性高密度总体集成技术、高效率高性能天线阵列设计技术和相控阵天线热控技术，实现了设备小型化及飞行高精度跟踪。

5 首飞意义

1）填补了我国新一代运载火箭的能力空白。目前我国已研制成功的新一代运载火箭由于各自的定位和使命不同，均难以有效适应3～4.5t左右SSO轨道卫星及卫星组网的发射。长征八号火箭700km SSO轨道运载能力达到4.5t以上，有效填补了新一代运载火箭的能力空白，并同时兼顾近地轨道（LEO）和GTO轨道发射能力，进一步完善了我国运载火箭型谱。

2）突破基于模块组合的快速集成设计，遵循“模块化、系列化、组合化”的发展思路。长征八号火箭充分继承在役型号的产品和技术，借鉴已有的试验验证成果，实现型号快速集成研制。它是我国首个研制中未开展全箭模态试验的中大型火箭，采用虚实结合的模态分析技术。全箭动特性数据在已有模块试验数据及动力学模型的基础上，通过全箭动力学模型组装和数值仿真计算获取。通过长征八号的研制探索，为后续其他大型、重型火箭的模态综合技术奠定基础，在提高效率、节约经费上积累了宝贵经验。

3）发动机推力调节技术的首次工程应用，提升了运载火箭任务适应性，推进了运载火箭重复使用技术的发展。该技术将大幅提升总体设计优化能力，助力提升火箭的任务适应能力。同时，发动机推力调节技术的使用，将为后续我国一次性运载火箭重复使用技术提前进行相关技术验证，为我国重复使用运载火箭研制打下坚实基础。

4）突破了飞行载荷控制技术，同时兼顾提升对故障的适应能力，为结构轻质化、飞行智慧化打下了坚实的基础。长征八号火箭由于受到了现有模块结构特性的限制，其遇到了静不稳定度大的难题，同时对减载控制等提出很高要求。通过深入研究分析各种减载稳定控制方法，采用基于角速率和横法向过载信息融合的自适应减载控制技术，提升了轻质贮箱结构对时变不确定风场的适应性，实现了主动减载的目的。设计了基于控制效果的喷管极性辨识和控制重构算法，开展了滑行段飞行故障在线辨识，具备了特定故障工况下自主进行姿态控制重构的能力，提升了火箭飞行控制的适应性和智能化水平。

5）实现我国运载火箭Ka频段高码率天基测控首次全程数据和图像获取，为运载火箭天基测控升级换代奠定基础。长征八号火箭配备了3Mbit/s Ka频段天基测控终端和相控阵天线，有效解决了地基测控弧段不足、S频段码率受限的难题。此次Ka频段高码率天基测控全程数据和图像获取的实现，验证了Ka频段天基测控作为我国运载火箭天基测控未来的主要手段的可行性和正确性，为后续全面推行应用奠定坚实基础，可以节省大量地面测控资源，助力提升我国运载火箭发射频率和任务适应性。

6）助推我国运载火箭升级换代，体现我国建设航天强国的决心。长征八号火箭芯一级和助推器采用液氧煤油为推进剂，芯二级采用液氧液氢为推进剂，加速推进了运载火箭无毒化进程，牵引无毒无污染新一代运载火箭系列化、型谱化发展，替代常规有毒推进剂的运载火箭，彰显中国航天的社会责任，进一步提高我国运载火箭的任务适应能力和快速进入空间的能力。

6 结束语

长征八号火箭作为一款国家立项的面向商业市场的运载火箭，研制团队始终秉承“模块化、组合化、系列化”的发展思路，突破了以发动机推力调节为代表的一系列关键技术，为我国重复使用运载火箭研制打下了坚实的基础，填补了我国新一代运载火箭的能力空白。