1、概述
来源：国际太空
作者：张卫东、杨赧、杨帆
作为我国首款固液捆绑运载火箭，长征六号甲运载火箭突破了多项关键技术，于2022年3月29日成功首飞，将浦江二号和天鲲二号卫星送入预定轨道，并精确入轨。这标志着我国突破了固液捆绑运载火箭技术，新一代运载火箭家族再添新成员。
1、概述
为填补新一代运载火箭型谱空白，优化新一代运载火箭能力台阶，推动运载火箭更新换代，我国立项研制了长征六号改中型运载火箭系列。火箭采用通用化、系列化、模块化的设计理念，通过捆绑不同数量固体助推器、通用芯级实现系列化型谱覆盖。其中，长征六号甲运载火箭是长征六号改中型运载火箭系列的基本型和优先发展型，主要用于近地轨道（LEO）和太阳同步轨道（SSO）发射任务，其近地轨道载荷运载能力为8t以上，太阳同步轨道载荷运载能力为4t以上。
作为我国首款固液捆绑运载火箭，长征六号甲运载火箭突破了总体优化设计、全箭力热环境预示、2m直径分段式固体发动机、固体助推捆绑连接与分离、固液捆绑火箭联合姿态控制及高可靠连接器等关键技术，解决了固体助推器的可靠连接与安全分离、飞行过程中的姿态稳定控制、两段式固体发动机长时间可靠工作及前端无人值守等难题。
2、火箭总体情况
长征六号甲运载火箭采用两级半构型，捆绑4台固体助推器。全箭总长50m，起飞推力720t，起飞质量530t。一子级直径3.35m，采用2台推力120t的YF-100GAII液氧/煤油发动机，发动机双向摇摆提供控制力矩，氧箱在上，采用自生增压方案，煤油箱在下，采用常温氦气增压方案。二子级直径3.35m，采用1台推力18t的YF-115GIA液氧/煤油发动机，发动机双向摇摆提供控制力矩，氧箱在上，采用自生增压方案，煤油箱在下，采用常温氦气增压方案。二子级配置独立的辅助动力系统，完成主机飞行段滚动通道控制、末速修正、滑行段调姿等任务。
火箭捆绑4枚直径2m的固体助推器，采用丁羟推进剂。单枚助推器采用1台推力120t的FG-112分段式固体发动机，采用全向摇摆的柔性喷管和机电伺服系统，参与全箭姿态控制。助推器通过前、后捆绑连接装置实现与芯级的连接，通过侧推火箭实现与芯级的分离。
火箭整流罩直径有3.8m/4.2m/5.2m等尺寸系列。遥一（Y1）箭卫星整流罩直径4.2m，长11m，由球头、冯卡门段、筒段、倒锥段组成，横向通过爆炸螺栓连接解锁，纵向通过线性装置和爆炸螺栓连接解锁。采用旋转分离方案，分离能源为弹簧推力器。整流罩采用全透波复合材料，可满足卫星测试期间全向远程通信需求。根据卫星尺寸，可选择配套不同直径和不同长度的卫星整流罩。
全箭采用芯级尾段四点支承、后捆绑主传力的支承和传力方案。
长征六号甲运载火箭布局图
3、主要技术特点
长征六号甲运载火箭芯级采用液氧/煤油发动机，助推器采用固体发动机，可以充分发挥固体发动机推力大、液体发动机比冲高的技术优势。其中，固体助推发动机为国内首次采用的两段式构型，装药量为58t，工作时间为115s，属国内最长工作时间。火箭在国内首次采用270V、20kW高压大功率电动伺服系统，控制固体发动机喷管摆动，实现固液捆绑火箭芯级和助推器联合摇摆控制，解决了并联固体助推发动机推力不平衡、关机不同步的控制问题。同时，设置了芯一级发动机健康诊断系统，芯一级液体发动机点火过程出现异常时，自动实施紧急关机，提高了发射安全性。低温推进剂加注后，前端无人值守，提高了发射场使用安全性和故障应对能力。
固体助推捆绑与分离技术
固体助推捆绑分离机构与液体助推捆绑分离机构虽然在功能和载荷条件上有一定的相似之处，但在具体的工程实践上仍存在较大差别。
长征六号甲运载火箭采用后主传力方案，助推器侧主捆绑点位于固体发动机筒段，无法利用内部空间设计插入式结构，且助推器与芯级对接时为满药状态，质量远超未加注的液体助推器，捆绑装置设计上需具备更大的变形补偿能力。固体助推器在解锁时刻还存在部分后效推力，所处的力学环境更为复杂，需考虑各种干扰的影响。
在充分调研、优选论证的基础上，火箭确定了固体助推分离方案和分离策略，完成主辅捆绑点连接解锁机构的设计、验证试验（结构产品静力试验、火工品研制及鉴定试验等）；考虑固体发动机后效、推力线偏斜等偏差工况，对助推器分离进行仿真分析和复核复算，确保设计正确；固体助推器连接解锁装置最终设计状态通过了芯级与助推捆绑结构的联合静力试验考核；还建造了固体助推器分离试验系统，成功进行了3次助推器地面分离试验，试验结果与分离仿真计算匹配性好，验证了助推器分离方案的正确性。
长征六号甲运载火箭助推器分离试验
固体捆绑火箭姿态控制技术
火箭飞行姿态稳定是方案设计可行性的重要组成部分。液体芯级捆绑固体助推器后，为确保姿态稳定，要求助推器和芯级同时参与全箭的稳定控制，为此需要建立精确的姿态动力学模型，同时对固体发动机推力不同步、工作时间偏差、关机不同步等情况进行分析，全面评估其对姿控系统的影响，确定合理的发动机摆动方案；火箭需要研究两种固液“发动机-伺服系统”回路的动态特性和弹性模态耦合情况下的姿态控制方法，完成控制器及校正网络的设计，最终通过频域、时域仿真，验证方案的可行性。
根据长征六号甲运载火箭特点，开展了固液捆绑火箭联合摇摆姿态控制关键技术攻关工作，主要是三通道耦合性分析和联合摇摆控制分配方案设计。通过多变量频域分析方法完成了三通道耦合性分析，三通道对角优势度较好，可以基于主对角元完成姿控设计；提出了合理可行的三通道控制方案，包括芯助分配、伺服机构控制分配。
火箭最终完成了稳定控制系统设计并通过仿真验证，仿真结果表明，联合摇摆控制方案正确，网络设计结果合理；针对4台固体发动机推力不同步的问题，从起飞漂移、控制能力两方面完成姿态控制影响分析，满足指标要求。
无人值守技术
为实现无人值守目标，进一步提高火箭发射自动化水平和可靠性，提高故障状态处置的安全性和快速响应能力，从发射流程统筹考虑，火箭开展了液氧加注后前端无人值守的全系统设计。
火箭在国内首次实现芯一级液氧、煤油加泄连接器自动对接、自动脱落技术；芯二级液氧、煤油加泄连接器和整流罩空调送风连接器起飞零秒自动脱落技术。
芯一级加泄连接器能够实现全自动对接、自动脱落回收、脱落回收后再次自动对接功能。采用设置于发射台上的尾部服务装置实现了连接器脱落回收后对起飞燃气流的防护功能，可根据需要适应不同的发射流程。
芯二级加泄连接器和空调连接器的零秒脱落，由连接器主体结构、悬挂绳索、悬挂固定点、脱落绳索和脱落气缸等组成。设置牵拉绳索和防回弹绳索，通过多重冗余保证起飞零秒脱落的可靠性。整流罩空调连接器零秒脱落可为卫星提供全流程的温湿度保障条件。
4、后续发展展望
长征六号甲运载火箭首飞成功，后续将作为我国主力运载火箭用于近地轨道和太阳同步轨道的“一箭一星”及“一箭多星”发射任务，满足各类航天器按需发射的迫切需求。
按照统筹规划、分布实施的原则，在研制长征六号甲运载火箭的同时，我国已同步开展长征六号改系列火箭其他构型研制工作。根据不同发射任务的要求，通过基础级模块组合形成系列化覆盖，完成近地轨道和太阳同步轨道发射任务，多款构型后续将陆续投入应用。
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