智慧火箭迈出可回收技术验证第一步

文/ 任悦鸣 摄/ 宿东

2020 年12 月22 日，我国新一代运载火箭长征八号在中国文昌航天发射场首飞成功，将5颗卫星送入预定轨道，有效填补我国太阳同步轨道运载能力3吨到4.5 吨之间的空白，为我国未来中、低轨卫星发射的迫切需求提供了新的解决方案，标志着我国在新一代中型运载火箭研制中取得了重大突破，对于完善我国运载火箭型谱、提升进入空间能力具有重大意义。

据长征八号火箭总设计师宋征宇介绍，长八火箭是一款在立项之初就按不同发射需求设计两档配置的智慧火箭，身怀“可重复使用技术”等独门绝技，兼顾近地轨道和地球同步转移轨道发射能力，是未来我国商业航天发射服务的主力军。

长征八号火箭在研制过程中，始终践行深度融合的思路，简化火箭发射保障需求，做到了性价比优、易用性好、安全性高。同时，长征八号火箭充分吸收了现有火箭研制成果，具有良好的继承性、经济性、先进性和适应性。

走出中国航天可回收技术验证第一步

火箭回收技术是近年来举世瞩目的“航天黑科技”，我国也针对火箭可重复使用技术展开了探索和研究，这一重任就落在了此次首飞的长征八号运载火箭身上。

长八火箭在飞行中对液体火箭发动机进行节流控制。宋征宇形象地比喻说，火箭发动机的推力节流技术就像给汽车换挡一样，在点火起飞时开足全力冲上去，在飞行过程中调节发动机的推进剂流量，以此来达到调整推力、控制速度等目的。宋征宇介绍，推进剂节流技术可以对火箭进行牵制释放，不想让它走的时候能拽得住，想让它走的时候放得开，这样才能在火箭返回时“收住油门”。

长八火箭总指挥肖耘表示，火箭回收虽然在短期内不会对GDP 产生巨大影响，但可重复使用技术是全世界运载行业探索的新方向，“我们作为火箭研制总体单位，需要对新技术进行尝试。”研制团队第一次验证这项技术，做了大量的地面试验。“推力调节技术是火箭可重复使用的关键技术，必须掌握。”肖耘对这一技术志在必得，在他看来，研究过程中的攻关积累，一定会有助于其他高难度的技术突破，“长征八号研制团队，有能力也有义务做火箭可重复使用的尝试和研究”。

此前几年，研制团队围绕火箭一级回收开展技术尝试，以垂直起飞和垂直降落为目标，按步进行火箭回收试验，目前，着陆缓冲机构、低空低速的返回段制导、自主控制等回收技术均处于紧张的试验阶段，预计在2021 年左右完成可回收关键技术的进一步攻关。

有了这项技术后，还可以在点火起飞时让发动机先工作很短的时间，在正式起飞前对发动机进行全覆盖测试，一旦发动机出现故障，立刻节流控制，紧急叫停发射任务，避免后续损失。

这项技术的验证，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。“返回技术是世界难题，也是中国航天人当前的追求。”肖耘说，此次发射的组合型长八火箭，走出中国航天可回收技术验证的第一步。

成为商业航天发射服务主力军

与其他型号不同的是，长征八号火箭更多以市场需求为导向进行研制，从能力指标、经济性、可靠性等综合考虑，实现工程研制的最优。据长八火箭副总指挥段保成介绍，长八火箭在研制过程中践行了低成本的思路，充分考虑了技术与经济的一体化，通过包括项目制、高继承性的尝试，实现火箭的成本有效控制，努力做到火箭研制和市场挖潜的“双成功”。

长八火箭立项之初，便被赋予了“打造一款经济、好用、可量化批产并具有国际竞争力的火箭”的光荣使命。长八火箭的主要运载能力集中在太阳同步轨道，而这里恰好是商业航天发射需求最为旺盛的“黄金地段”。

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商业发射服务最主要的3 个需求，便是物美、价廉、快速。

长八火箭继承了已有型号的成熟模块，可靠性设计考虑得更充分，宋征宇指出：“可靠是火箭的基础，无论面对什么样的用户，都需要做到可靠，但提供商业发射服务的长八火箭的可靠性，是基于成本考虑的。”他坦言，不能将商业航天的可靠性和载人航天相比较，不过“未来长征八号火箭可以对标国际同行，经济性有可比性，可靠性更高”。

长八火箭首飞试验队将火箭材料的特性挖掘到极致，未来，箱体的人工成本和原材料成本可下降30%，达到经济性和运载能力的平衡。“长八火箭本身运载能力达到5 吨级，而起飞规模为356 吨，运载效率在国内火箭中是名列前茅的。运载能力的提升、成本的下降，必然会带来很高的性价比。”段保成说。

长八火箭通过“模块化、系列化、组合化”研制理念以及全箭模态综合技术等一系列方法，在保证产品可靠性的前提下，进一步节省测发成本，缩短研制周期、履约周期和发射周期，预计未来可实现接单12 个月进场，进场10 天发射的快速服务能力，用最短时间、最少成本，打造出一款具有竞争力的产品。

想要征战商业航天市场，就必须是个多面手，长八火箭不仅可以发射太阳同步轨道卫星，还能兼顾近地轨道和地球同步转移轨道发射能力，使其具有更强的市场竞争力。

据宋征宇介绍，未来商业航天发射需求种类繁多，需求迫切。“卫星互联网星座、对地观测卫星星座都是长八火箭主要用户，高校和研究所也可以利用科学试验卫星开展试验，长八火箭可为这些用户提供常态化的搭载服务。”

多项技术让智慧火箭更聪明

近年来，我国运载火箭高密度发射已呈常态化，但飞行故障甚至飞行失利也偶有发生。如果火箭具备故障诊断和自主飞行能力，在发生故障时自主调整，飞行结果便能大幅改善。

之所以采用大静不稳火箭主动减载控制技术，是因为此次发射的长八火箭是组合型火箭，芯一级和助推器均采用长征七号一级状态，结构非常强，而二子级采用长三甲三子级，结构相对比较轻薄，承载能力有限制。按照火箭的飞行轨道设计，火箭将在一、二级分离前通过南海上空稠密大气层，西向的大风将对火箭飞行形成垂直作用力。

“如果火箭在稠密大气中仍保持高速飞行的状态，轻则拉偏位移，影响入轨精度，重则导致火箭被大风吹断解体。”肖耘说。

因此，研制团队采用大静不稳火箭主动减载控制技术，通过自适应减载控制，将发动机100% 的推力降到77.5%，提升了轻质贮箱结构对不确定风场的适应性，顺利通过“危险地带”。

此次首飞成功的长八火箭具备了滑行段飞行故障在线辨识的能力，能够在特定故障工况下自主进行姿态控制重构，提升火箭飞行控制的适应性和智能化水平。火箭可通过设计基于控制效果的喷管故障辨识和控制重构算法，开展故障在线辨识，并根据故障辨识结果，进行姿态控制重构。

宋征宇告诉记者，假如火箭发现原有的目标轨道已经不可达了，就会自动计算出一个临时停泊轨道，进行卫星救援。“目前，国际上明确提出这项技术的，只有我们长征系列运载火箭。”宋征宇自豪地说，在各项新技术的加持下，长八火箭变得更加智能了。

“融合型”的长征八号值得期待

长八火箭在设计之初就被分为“组合型”和“融合型”，一型火箭，两档配置的模式首次在长征火箭中使用。“就好比同一款汽车、手机也会有不同配置，满足不同用户的需求。”宋征宇形象地比喻。

此次发射的长八火箭为“组合型”，具有继承、简化、集中、共享等突出特点。后续，研制团队还将进一步提升火箭性能，缩短研制和测发周期，发射更为先进、更加经济的“融合型长八火箭”。

虽然外形上一模一样，但“融合型长八火箭”将进一步优化技术，实现电气一体化、地面测发控一体化、结构快捷制造、快速测发、无人值守等功能，并搭建新技术验证平台，更适应商业用户的需求，成为一款集先进性、安全性、高适应性和强竞争力于一身的新一代中型主力火箭。

“十四五”期间，我国将陆续淘汰以往使用常规推进剂的火箭，长八火箭或将承担起我国在太阳同步轨道发射主力军的作用。

“技术的进步势不可挡，环保的要求也越来越高，传统火箭在过去几十年里，为中国航天事业的腾飞作出了不可替代的贡献，但新一代运载火箭的升级换代势在必行。”宋征宇说，长八火箭在其他型号的研制基础上不断集成创新，传统火箭也可以长八火箭首飞为契机，形成良性竞争关系，共同推动中国航天技术持续发展，为航天强国建设贡献力量。

未来，长八火箭将按照“快速形成能力，迭代改进提升竞争力”的发展思路，形成不同运载能力，实现系列化发展，并通过不断迭代优化，提升竞争力，为我国后续卫星组网工程建设、商业航天发射服务提供有力支撑。