产业分析:海南商发与长征十二号——中国航天新纪元的创新之旅
作者：微信文章2024年11月30日22时48分，长征十二号火箭在我国海南商业航天发射场（以下简称海南商发）顺利升空，首发任务取得圆满成功。海南商发2022年7月开工，也是目前我国首个商业航天发射场。这里我们就海南商发和长征十二号火箭的创新性进行重点剖析。
01
海南商发的亮点和创新性
1）发射工位的设计上就重点考虑商业发射需求。对于海南文昌发射场，一号发射工位发射塔架高91.7米，主要用于发射长征五号系列火箭；二号发射工位发射塔架高85.8米，主要用于发射长征七号、长征八号系列火箭。23年开始建设的新发射工位也是针对长征十号系列运载火箭设计，满足中国载人月球探测工程发射任务和天宫空间站载人发射任务。而对于海南商业发射场，虽然一号发射工位有83米塔架，是为长征八号定制。但二号发射工位是液体通用型发射工位，可兼容包括长征、快舟、捷龙等多家火箭公司的19个型号火箭发射需求，适配 3.35m-5m范围内直径的火箭；三号发射工位是小型固体发射工位。在整体工位设计上，面向商业发射任务特征还是很鲜明。
2） 采用液体通用型发射工位。即发射前、后端设备并不固定，可以“模块化”更替，“对口”更换。其中：
✓ 前端设备包括：箭体起竖系统（不同火箭型号由于箭体尺寸、重量等参数不同，起竖系统的起竖能力、起竖精度等要求会有所差异）、转运设备（包括全箭模块化运输车等）、对接装置（如5.2 米整流罩垂直水平合罩装置等，不同型号火箭的接口尺寸、形状、位置等存在差异）。
✓ 后端模块包括：发射台及相关设施（不同型号火箭的推力大小、喷焰角度、尾焰温度等不同，对发射台的结构强度、抗烧蚀性能、导流能力等要求也不同）、加注供配气系统（不同型号火箭使用的推进剂种类、加注量、加注压力、供气压力和流量等参数存在差异）、测控系统（对火箭的状态进行监测和控制）、喷水降噪系统（不同型号火箭的尾焰温度、噪音强度等不同，喷水降噪系统的喷水量、喷水角度、喷头布局等需要根据火箭的具体情况进行调整和优化）。
3）组装、测试、转运采用“三平”方式，提高火箭发射频次。核心还是水平组装和测试可以在普通的大型厂房内进行，无需针对特定火箭型号建设专用的高耸厂房，提高了厂房的通用性和利用率。同时减少了火箭在发射工位的占位时间，能够更快地完成发射任务，提高发射频次。但制约性也有，比如部分卫星或有效载荷由于自身结构、性能等原因，不支持水平测试与运输。此外，“三平” 方式的测发流程更为复杂，因为针对水平转运、起竖等操作，每个环节都需要严格的控制和协调，增加了测发过程中的风险和不确定性。技术上，对起竖技术和稳定性控制的要求也更高。
02
长征十二号火箭的技术创新
本次首发的长征十二号是我国首型4m级运载火箭，也是目前我国运载能力最大的单芯级运载火箭，近LEO轨道运载能力不少于12 吨、700km SSO轨道运载能力不少于6吨。从箭体设计到采用的技术都实现了不少创新，具体而言：
1）箭体结构：首次采用4m级（实际3.8m）。目前我国现役的长征系列火箭中，除了长五系列（直径5m）、长征十一号（直径2m）之外，其他的箭体直径都是3.35m。一改此前箭体结构，主要还是为了更好地适应大型卫星、多星组网地发射任务以及完美匹配YF-100K发动机。相比3.35m运载火箭，其推进剂装填量提升30%，火箭模块的推力性能提升108%。此外， 由于芯一级采用4台130吨级（实际1250KN）的YF-100K液氧煤油发动机，而YF-100K直径1.347m，而一般发动机之间的间距（即中心到中心的距离）设为发动机直径地1.5-2倍，以长征十二号的参数来估算，该比例系数为1.62左右。
2）牵制释放技术：长征十二号实现了该技术国内首次工程应用。即火箭在点火起飞前，牵制释放系统先将其系留在发射台上，待火箭诊断点火工作正常后，牵制释放系统可靠释放，火箭完成顺利起飞。一方面，可以在火箭点火后检测到故障时终止发射；另一方面，如果火箭发动机推力达到预定值后直接释放，突然的大推力产生的冲击会对火箭造成较大的振动，容易损坏箭上仪器，用减载缓释放装置在火箭离开发射台升空的极短时间内，缓解振动的冲击。
如图，火箭在尾部均匀地布置4 个牵制释放机构。处于牵制状态时，连杆右侧的气缸在动轴2处将连杆拉住，使牵制臂稳定地牵制火箭。当检测无故障且发动机推力达到预定值时，传感器发出释放指令，气动分离器松开，牵制机构回到稳定位置，牵制臂打开，火箭释放。
3）冷氦增压技术：即利用高压低温氦气对贮箱进行增压，一方面，冷氦气瓶的贮气量约为同压力同容积下常温气瓶的 5.6 倍，从而所需的冷氦气瓶数量大幅减少，轻增压系统的结构重量。另一方面，能够更加高效地对煤油进行增压，确保火箭燃料输送系统的稳定运行。
具体而言，高压冷氦（液化温度-269°C以下）气瓶置于氧箱中（一般液氧温度-183°C以下），通过环境冷却提高其密度和增压效率。氦气在进入燃料箱之前会通过一个过滤器，以去除可能存在的杂质或水分。然后再经过节流圈降低氦气的压力（即膨胀），使其在进入燃料箱之前进一步冷却（焦耳-汤姆逊效应）。然后流经电磁阀，用于控制氦气的流动和流量。最后经单向阀（防止燃料箱内的氦气回流到气瓶中）进入煤油箱，由于其低密度和低沸点，会迅速膨胀并吸收煤油的热量。通过氦气增压，燃料箱内的压力得以提高，这有助于液化煤油的输送。
但冷氦增压也有很多技术难点，包括：材料（需要有稳定的物理和化学性能）、高精密加工技术（微小的加工误差都可能导致氦气泄漏或系统压力不稳定）、全位置焊接（冷氦气瓶连通管等部位的焊接往往需要在箭上进行全位置焊接）、热管理和低温密封等方面。目前虽未不明确长征十二号冷氦气瓶具体采用了哪种材料，但猜测大概率是钛合金（良好的低温性能，在低温环境下强度反而比常温时有所增加，且密度相对较低、耐腐蚀）或者碳纤维。但是对于钛合金，最大的技术难点在于精密加工和全位置焊接，由于其加工硬化严重、刀具磨损大等，要实现高精密加工更为困难。而由于钛合金的化学活性大，在焊接过程中容易与氧、氮、氢等杂质发生反应，导致焊缝金属的塑性和韧性下降，产生气孔、裂纹等缺陷，这对焊接技术和设备的要求极高。
4）铝锂合金贮箱应用：其二级贮箱采用了第三代铝锂合金材料，不仅重量轻、韧性也好，相较采用第二代铝合金材料的常规长征系列运载火箭，有关结构的重量减轻了10-15%，有效促进了运载能力和运载效率的提升。
由于在发射初期，一级贮箱要承受发动机工作时产生的巨大推力，需要更高的结构强度来保证贮箱的稳定性和安全性。而二级贮箱储存的推进剂为火箭在更高空的飞行阶段提供动力，包括调整姿态以及进入预定轨道等，加注量也少，会主要考量轻量化、气动外形等方面。所以一级贮箱会更多考量新材料的技术成熟度和可靠性。我们猜测，一级贮箱还是采用的Al-Cu合金材料。
对于贮箱材料，经历了Al-Mg合金（如我国2.25m火箭长征一号、美国土星-1、苏联东方号）、Al-Cu合金（如日本H-2A、欧空局的阿里安5、长征五号）、Al-Li合金（长征九号、长征十二号、Falcon 9、Space Launch System等）、复合材料（如碳纤维增强复合材料，用于DC-XA亚轨道飞行器、LMT的X-33太空火箭等）。
而对于铝锂合金，也经历了三代技术变化（如图）。第一代铝锂合金始于1945年美国铝业公司Al-Li-Cu组合物的专利，但是耐热性不足，塑韧性较低，具有较高的缺口敏感性，因此并未在运载器贮箱结构中得到应用。第二代铝锂合金，20世纪80-90年代由美国和欧洲各国开发，通过添加2+%的Li、约2+%的Cu，以获得相比于传统铝合金减重8-10%的效果，并添加少量的Mn和Zr来控制晶粒尺寸。国际上最有发展前景的两种第二代Al-Li合金是2090 和8090牌号。如麦道公司采用2090-T81 Al-Li合金板材，制造了直径2.44m的德尔塔运载火箭低温贮箱，结构减重约5%。但第二代Al-Li合金仍存在各向异性严重、塑韧性较低、焊接性能差等问题，主要原因是Li含量过高。20世纪80年代末以来，第三代Al-Li合金开始出现，主要包括2195、2297、2199、2050等合金。相比第二代，这些合金中Li浓度含量逐渐降低（0.75-1.8%），并且引入了Zn、Sn、Ag等元素。以超强度、超韧性、超低密度为发展方向。应用上，美国研制的2195 Al-Li合金（Weldlite 049系列）被应用于航天飞机奋进号贮箱结构中， 贮箱质量比原2219 Al-Cu合金材料贮箱减重达3406kg。Falcon 9也用了2198 Al-Li合金贮箱。我国C919大型客机部分结构便采用了第三代Al-Li合金。2021年，中国运载火箭技术研究院研制出我国首个3.35m直径的 Al-Li合金贮箱。本次长征十二号是首次在4m级火箭贮箱中应用Al-Li合金。
此外，在复合材料贮箱方面，2016年，SpaceX研制出12m直径的大型液氧复合材料低温贮箱，这也指引了未来技术的发展方向。
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