“静箭雷音”传喜讯，离飞天差几步?

　　近日，长征十号火箭第二次系留点火试验圆满成功，天龙三号火箭一子级完成全球首次海上热试车，标志着中国载人登月任务和大型液体火箭研制持续取得重大进展。那么，火箭系留点火试验与普通的静态点火试验有何不同?火箭海上热试车相比陆地类似试验，有何优势?为此，科研人员需要攻克哪些技术难关?火箭完成这些试验后，距离入轨发射还有哪些步骤呢?

　　为火箭戴“浴帽”穿“小裙”

　　火箭地面试验是航天领域不可或缺的环节。系留点火试验与普通的静态点火试验虽然都涉及火箭在不起飞的前提下进行发动机点火，但目的与复杂度截然不同。

　　一般认为，系留点火是火箭最接近飞行状态的大型地面试验。以长征十号火箭为例，一子级被牢固地固定在发射平台上，通过超过100枚特制高强度螺栓与平台相连，单枚螺栓可承受约90吨拉力，相当于同时吊起约60辆小轿车。

　　该试验旨在模拟火箭实际飞行中的受力和工作状态，重点考核发动机在低工况、二次点火等复杂条件下的性能，同时验证回收段工作程序的可靠性。

　　在长征十号火箭第二次系留点火试验期间，7台并联发动机经历了低工况工作和二次点火启动的严格考核。低工况工作是指发动机在非满推力状态下运行，这在火箭实际飞行中经常出现，特别常见于火箭调整飞行姿态或轨道修正之际。二次点火能力则关系到火箭能否实现多次启动，对于执行复杂轨道任务是至关重要的。

　　相比之下，普通的静态点火试验通常在发动机台架上进行，主要目的是验证发动机的基本性能、推力、稳定性等，一般不涉及火箭整体受力和飞行程序验证。这类静态点火试验时间较短，通常仅持续数十秒，获取发动机运行的各项基本参数即可，不像系留点火试验那样尝试模拟火箭从起飞到回收的全过程。

　　此外，系留点火试验能够在地面上最大限度地模拟火箭真实发射状态的力学与热力环境，有助于对火箭的动力系统、结构强度及整体协调性进行全面检测。

　　事实上，火箭试验平台的复杂性远远超过大众想象。系留点火试验平台不仅承受惊人的“巨力”，还配备了数千个传感器，实时监测火箭各系统的性能参数。这些传感器广泛收集振动、温度、压力等数据，通过光纤网络传输到指挥控制中心，帮助科研人员全面了解火箭在模拟飞行状态下的表现。试验过程中，测量系统会记录大量参数，包括结构动力学环境数据、振动响应、推进剂供应系统工作特性等，为后续火箭优化设计提供宝贵数据。

　　为顺利完成系留点火试验，长征十号火箭团队创新性地为箭体戴上直径6米的防热“浴帽”，围上特制防雨“小裙”，将舱内温度降低了20摄氏度以上，成功应对海南文昌高温、高湿、高盐雾的严苛环境。

　　海上热试车属于航天试验的新范式，具备一些独特优势。9月15日，天龙三号火箭一子级完成了全球首次海上动力系统热试车，开创了海上平台测试全尺寸火箭动力系统的先河。此次试车箭体完成必要的检查维护后，计划于今年底执行天龙三号火箭首飞任务。

　　海上热试车可以充分利用开阔的海洋空间，减少对周边环境的消极影响，同时便于模拟火箭在不同海况下的工作状态，为海上发射提供数据支持。而且，海上平台的灵活性强，可根据需要调整试验位置和条件。

　　例如，天龙三号火箭一子级海上试车全面覆盖了从推进剂加注、多机分批点火、稳定工作到程序关机等箭地测发全过程，涉及箭体结构、地面测控、工艺系统、安控系统等全链条协同综合演练。

　　不过，这种试验方式必须全面适应海上复杂环境，突破防风、防晃、防雷、防盐雾、防噪、环境保护及发动机火焰高温防护等多项关键技术。

　　传统的陆地试验场基础设施完善，通常具备固定支撑结构和测量设备，便于安装调试设备，采集各种数据，能够提供更稳定的测试环境。但陆地试验场的安全性要求和空间条件未必令人满意，导致模拟火箭动力系统的复杂状态受限，配套措施普遍复杂且代价高昂。特别是抑制火箭动力系统的噪声、振动、排气等消极影响时，陆地试验场往往需要建设昂贵的消音设施和导流槽。

　　作为对比，海上平台可以借助广阔海域“自然消解”这些影响，还能应用喷水降噪和气体处理技术，将试验对海洋生态的不良影响削弱到最低。

　　总体来看，海上试验平台堪称工程奇迹。本次支持天龙三号火箭一子级试车的是东方航天港一号半固定式海上平台，为了充分抵御风浪干扰，其应用了动态补偿技术，实时监测平台运动状态并调整平台、火箭姿态，有效控制晃动幅度，提升稳定性和成功率。

　　该平台还配备了先进的燃料存储和供应系统、抗干扰无线传输系统，能够满足火箭最长200秒持续试车需求，在高风险海况下传输信息和指令，以便及时部署到安全海域。

　　同时，平台设置了多重防护系统，确保试验过程安全可控。其甲板厚达2.5米，采用特种钢材建造，配备了水冷式导流槽、耐腐蚀材料、热防护涂层等，能够承受发动机点火产生的约3000摄氏度高温燃气冲刷。

　　打掉“拦路虎”后路还长

　　大型液体火箭进展到系留点火试验或海上热试车阶段，已攻克了多项技术难关。

　　动力系统多机并联工作的协调稳定性是一大关键挑战，特别是应对低工况、二次点火等特殊情况。通过多次相关试验，长征十号火箭已验证了多机并联等技术，成功解决了发动机工作产生的耦合振动问题。

　　一子级回收复用已成为新一代大型液体火箭的发展趋势，要求解决箭体姿态控制、着陆精度、结构强度等难题。厂商宣称，天龙三号火箭采用蜂窝式结构，为发动机提供了独立包络空间，设计具备将推力降至额定30%以下的深度节流能力。通过大规模应用3D打印技术，天龙三号火箭发动机的制造周期从近半年缩短至2～3周，同时选用航天煤油结合硫分离技术，有望显著降低成本并改善结焦问题，提升火箭复用潜力。

　　在环境适应性方面，为了应对海上高温、高湿、高盐雾的严苛条件，科研人员为大型液体火箭开发了新型隔热材料、热控系统、防护涂层等，充分保护箭体。

　　那么，顺利通过系留点火试验或海上热试车后，大型液体火箭距离入轨发射还有哪些关键步骤?

　　首先是飞行试验，通过实际飞行测试，进一步验证火箭整体性能和导航控制、分离机构等工作可靠性。据公开资料显示，长征十号火箭将在不久后使用接近完整的一子级，结合回收技术验证，开展亚轨道飞行测试。这次试飞将验证火箭在大气层内的飞行性能，特别是跨音速和最大动压段的飞行稳定性。

　　接下来，是系统集成与测试，也就是对火箭动力、电气、结构等系统进行综合集成和全面测试，确保各系统正常协同工作。在这个阶段，科研人员将完成全箭振动试验、模态试验、静力试验等大型地面试验，全面考核火箭结构完整性和系统兼容性。

　　然后，需要稳步推进发射场设施设备的建设与调试，进行全系统合练，模拟发射流程，检验发射场与火箭的配合能力。比如，我国文昌航天发射场正在建设全新的发射工位，适应载人登月任务需求，包括新型发射台、勤务塔、导流槽等设施。

　　最终，完成上述所有准备工作并通过评审后，大型液体火箭将择机正式发射入轨。在不远的将来，长征十号系列火箭将投入载人月球探测工程、空间站应用与发展工程等，实现在2030年前将中国航天员送上月球表面的宏伟目标。而天龙三号火箭、朱雀三号火箭等多款大中型商业火箭有望参与大规模低轨卫星组网、空间站货物运输及中高轨卫星发射任务，助推我国航天市场蓬勃发展。

文章转载于：中国航天报·飞天科普周刊