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中科系列之中科一號甲(ZK-1A)是中科宇航研發的首型固體運載火箭,計劃2021年9月首飛,2022年具備商業發射能力;中科系列之中科二號(ZK-2),計劃2022年12月首飛,2023年具備商業發射能力。

01中科系列固體運載火箭型譜

中科系列固體運載火箭包括中科一號(ZK-1)固體運載火箭系列以及中科二號(ZK-2)固體運載火箭。

圖1 中科宇航固體運載火箭型譜

中科一號(ZK-1)固體運載火箭利用200噸級、100噸級、50噸級、10噸級四型固體火箭發動機和固體助推器形成系列化構型,其中ZK-1固體火箭為四級固體發動機串聯+四臺固體助推器捆綁構型,近地軌道運載能力約3t。透過簡化構型,ZK-1固體火箭可衍化出ZK-1A和ZK-1B兩種構型。其中,ZK-1A為四級固體發動機串聯構型,近地軌道運載能力約2t;ZK-1B為四級固體發動機串聯+兩臺固體助推器捆綁構型,近地軌道運載能力約2.5t。中科二號(ZK-2)固體運載火箭充分實踐組合化、模組化的構型設計思想,芯一級、芯二級、助推器均繼承中科一號成熟的一子級模組,並沿用中科一號的四級發動機。面向目標使用者,最大程度縮短研發週期和成本,在繼承技術先進性的同時保證產品的高可靠性,未來可透過更換液體末級組成固液混合火箭提高增加運載能力,拓展發射靈活性和適應性。

02中科一號甲(ZK-1A)固體運載火箭主要指標

中科一號甲(ZK-1A)固體運載火箭為四級固體發動機串聯構型,主要用於太陽同步軌道和其他近地軌道中小型航天器的單星和多星組合發射,以及臨近空間高超聲速飛行器的助推發射,技術方案如下:

構型:四級固體發動機串聯構型;火箭直徑:2.65m;

總長:31m;

起飛質量:135t;

整流罩直徑:相容φ2650mm和φ3350mm兩種構型;

運載能力:

ZK-1A固體運載火箭動力系統由四臺固體火箭發動機和一套末修姿控動力系統組成,箭體結構系統共有11個結構部段、5套分離裝置組成,箭上航電系統採用通用化、一體化設計方案,採用1553B+RS422+乙太網的混合匯流排體制,地面測發控系統與箭上航電系統一體化設計,以遠端筆記本式發射為目標開展設計,安全控制系統由箭上安控系統和地面安控系統共同完成,發射支援系統採用三平一垂的發射方式。

圖2 ZK-1A固體運載火箭示意圖

圖3 ZK-1A固體運載火箭典型任務剖面

03中科二號(ZK-2)固體運載火箭主要指標

中科二號(ZK-2)固體運載火箭為固體四級串、並聯組合構型,瞄準低軌網際網路星座組網發射需求,在ZK-1A固體運載火箭系列基礎上改進技術方案,增加運載能力,提高商業發射市場適應性。中科二號(ZK-2)固體運載火箭採用組合化、模組化的構型設計思想,透過組合成熟的4臺200t級固體火箭發動機,形成CBC(通用芯級)構型,技術方案如下:

構型:四級固體發動機串聯芯級、芯級外側並聯兩枚助推器的組合構型;

火箭芯級直徑:2.65m;

火箭助推器直徑:2.65m;

總長:39.7m;

起飛質量:343t;

整流罩直徑:相容φ4200mm和φ4000mm兩種構型;

運載能力:

圖4 ZK-2固體運載火箭示意圖

04中科系列固體運載火箭研製進展

中科一號甲(ZK-1A)固體運載火箭目前處於工程研製階段,已完成全箭模態試驗、各級發動機聯合試車、艙段靜力試驗、航電系統綜合試驗、控制系統半實物模擬試驗、測壓風洞及脈動壓力風洞試驗、噪聲試驗等大型地面試驗,計劃2021年9月首飛,2022年具備商業發射能力。

圖5 大型地面試驗

圖6 關鍵單機及產品

中科二號(ZK-2)固體運載火箭計劃2022年12月首飛,2023年具備商業發射能力。目前火箭已完成方案論證工作,並突破固體發動機並聯構型帶來的飛行控制、捆綁結構設計等核心關鍵技術,具備轉入方案詳細設計階段的條件。

圖7 ZK-2固體運載火箭CBC構型捆綁設計

05國內外固體運載火箭指標對比

表3 國內外固體運載火箭的運載能力注:上述資料來源於網路目前國內外現役固體運載火箭的發射價格約為10-14萬元/kg,中科宇航首型固體運載火箭——中科一號甲(ZK-1A)的發射價格目標為7萬元/kg,將成為目前世界起飛質量最大、綜合成本最低,價效比國際領先的固體運載火箭。06中科系列固體火箭技術創新中科系列運載火箭具有高效先進、自主智慧、精益經濟三大技術特點。高效先進設計階段,按照自頂向下設計理念,建立協同平臺架構及各專業模型,面向單機設計,採用基於模型傳遞的創新途徑,大幅提升快速響應設計能力;運載係數超過1%發射成本不高於7萬元/公斤,均處於當前同類產品國際領先水平;環境精細化預示與控制水平大幅提升,關鍵單機及環境惡劣位置採取整體環境隔離及控制設計,從而提升產品環境適應裕度,提升整箭綜合性能。自主智慧一體化組合內各通用模組具備自測試能力,可實現加電即測,表徵本模組的健康狀態;研發智慧測控組合驗證和測試資訊一體化綜合處理架構和技術,為故障診斷奠定資訊基礎;探索線上軌跡規劃與閉路制導方法驗證與飛行測試,為自主智慧飛行奠定基礎;具備一鍵無人測發能力,透過測發流程最佳化,配合深度自適應資料判讀技術,多學科耦合度引數識別與判讀,實現發射測試流程全自動化。精益經濟結構與分離統一化、通用化、產品化設計,研製及產品成本降低50%;研究和建立開放式、資訊化的全壽命週期質量管理體系,大幅降低過程控制成本;研究基於工業級原材料元器件的篩選、檢驗與質量控制方法,大幅降低採購源頭成本;研究中型運載火箭低保、快速發射的技術標準、使用流程及評估方法,大幅降低使用費用。

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