【力箭征途】系列第八期｜史晓宁：青春矢志追天梦|力箭征途|发动机|史晓宁|探测器|火箭|航天器|飞机

作者 | Talk君

地球是人类的摇篮，但人类不可能永远被束缚在摇篮里。人类经过了百万年的进化，又发展了数千年的文明，正是在这种探索精神的激励下，人类不断进步，勇敢地去探索美丽的宇宙。人类发射了各种各样的航天器—火箭、导弹、卫星、空间探测器、宇宙飞船、航天飞机、空间站等。

凭借各种航天器，人类开始探索浩渺的宇宙，进行各种科学研究。人类发射的探测器已经飞出了太阳系，宇航员也登上了月球，火星车在火星表面行进试图寻找生命……这些科学研究帮助人类更全面地了解了宇宙，同时也更充分地认识了地球，认识了我们人类自己。

2022年7月27日12时12分，“力箭一号”在酒泉卫星发射中心成功发射，以“一箭六星”方式将六颗卫星送入预定轨道。这是中国目前起飞规模、起飞推力和运载能力最大的一型固体火箭，其运载能力可以达太阳同步轨道1.5吨，我国快速进入空间的能力再上一个台阶，“力箭一号”的首飞成功标志着中国固体火箭运载能力达世界先进水平。

青春矢志追天梦

这是一刻talks讲者史晓宁的分享。史晓宁是最早进入“力箭一号”项目组的科研人员之一，负责火箭的总体设计。火箭的研制是一项大型系统工程，总体方案包括火箭的类型、发动机的种类、稳定控制形式、分离方案、结构形式、总体布局和火箭外形等内容。作为地面不能随意控制、不可逆、飞行速度快、环境恶劣的飞行器，史晓宁始终把可靠性放在重要的位置，这也是史晓宁的工作重点。

总体设计是一个比较复杂的工作，因为这个工作贯穿着从火箭研制从始至终，这个火箭的指标，达到一个什么程度，对于总体设计的要求是很高的，力箭一号是我们国家最大的，固体运载火箭，整个的方案也是在国内是创新的，国外的话可参考的也比较少，只有欧洲的一款织女星火箭是跟力箭一号有一些相似的地方，但国内的话确实是完全新研的，因为国内很多固体火箭，都是有一些借鉴的经验，但力箭一号是最大的固体火箭，采用2米65的直径，发动机装药也是最大的，推力也是最大的，所以总体方案是全新的。

对于总体设计来讲，它是一个非常有挑战的工作，怎么从一张白纸开始，把我们要求的一些指标，包括运载能力，包括送的载荷的这个吨位，包括我们一些关键技术，同时我们还要降低成本，怎么达到这些综合的一些要求，所以对总体设计就要求很高，所以我们的话，刚开始也是参考了，包括液体、固体，包括国内、国外，很多火箭的一些经验，但是没有一个就是能照搬直接用的，综合来看，其实主要还是在技术方面，要做很多的创新工作，包括我们做了很多的计算、仿真还有试验，当时研制初期就策划了很多试验，所以从刚开始做的时候，我们在整个研制流程上，包括试验项目策划，包括我们的初期的这个仿真迭代，就做了很多轮次的这个工作，最终还是能够保证，我们这个力箭一号，能够实现我们最初设定的，1.5吨的运载能力，也是超过1%的运载系数。

这个系数在国际上来讲，也是处于一个领先的水平，把我们国内的固体火箭，之前都是百分之零点几的，这个运载系数，提高到1%以上，也是做到了一款，真正能够实现商业化、能够实现应用发射的一款可以应用的火箭，所以这是我们总体的话。在设计方面，是对这个火箭要从头开始，一个一个技术细节去抠、去抓，包括各个系统，怎么把这个指标分配下去，怎么把一项一项的总体的指标，分配分配到各个系统，然后让各个系统来最终实现，然后在研制过程中，还要监控整个研制的环节，因为这个指标的实现，涉及到很多的技术细节，包括一些试验的工况的设置，包括后期在进入发射阶段，这些测试的过程，是不是能够覆盖到我们当时规划的一些顶层的要求，所以总体的话，是贯穿到力箭一号，从最初设计到发射全程的这么一个专业，所以整个的工作也是最复杂，涉及到的技术专业也是最多的。

在力箭一号总体设计的初期，由于“力箭一号”的构型和装药量之大前所未有，即便是国内最顶级的专家，也很难在短时间内帮助总体团队完成设计，大量的问题需要史晓宁和他的团队成员自己去摸索解决。为了解决研制过程中遇到的各个的难点，史晓宁经常奔波于全国各地的试验室，披星戴月，日夜兼程。

当时为了降低成本，采用了很多液体火箭的一些结构形式，就是蒙皮桁条的结构形式，这个好处一个是可以减重，另外一个就是，我们很多地面的这个工装，就可以统一化、标准化地去处理，这样一个是节约了经费，另外可以是提高火箭的效率，当时引入了很多液体型号的结构形式，跟固体火箭相结合，又引入一些新的问题，就是我们这个火箭，整个刚度就会比较低，也就是火箭会比较软，这样的话我们就要做，取模态试验去辨识这个刚度，去看它这个火箭到底是软还是硬。

就像射箭，这个箭飞的过程中，一直在空中在抖，它不是说笔直地去打中这个靶心，火箭也是一样，在大气飞行中它也是一直在抖，所以火箭要保证足够的这个刚度，才能为控制系统，去提供很好的支撑，要不然如果太软了的话，这个控制是掰不过来的，甚至有可能会发散，甚至有可能火箭会折。所以这样的话，我们就需要通过模态试验，去给控制系统一个，一个足够准确地输入，让它来去抑制这个在空中的抖动。所以我们当时需要去，通过模态试验去辨识这个刚度，但是这么大的一款火箭，国内是没有试验场地，能够完成这个试验的，同时如果要做一些试验设施，包括我们做一些试验的工装，又要投入很大的成本，周期也很长，我们当时是借鉴了航空的一些经验、飞机的一些经验，飞机当时是提出一些水平的，因为飞机的外形，可能它是更接近于水平，所以用一些水平的模态试验方法，用这个弹簧，因为火箭飞行，在空中飞行过程中是自由的，那就没有边界去约束它，所以我们怎么去模拟自由边界，真实模拟飞行过程中的一个状态，这也是很难的，所以我们当时用空气弹簧，去做水平支撑，来完成这个试验。

这个方法也是国内首创，甚至国际上对于火箭来讲，这么大的火箭来讲，都没有用过，也是首创，所以这个试验当时，我们确实也没有太多的依据，怎么把这个试验数据做得很准确，当时心里也，首先查了很多资料，也做了很多计算，但是心里还是没底，当时做了很多验证性试验，提前我们用一些钢梁去模拟，看看这个边界是不是满足要求，另外，做了很多对比分析对比试验，包括试验过程中，我们也是反复地去对比，最终这个试验，确实用了很长的时间，用了大概五个月左右的时间，但确实获得了宝贵的数据，后边的话，这个试验方法也可以为，国家其他的这种大型的火箭，提供一些，低成本的一些这个试验解决方案。

在风洞试验方面，试验室排不上档期的状况时常发生，为了不耽误进度，史晓宁和团队只能用凌晨的时间通宵挤时间去做……

当时我们为了实现这个低成本，当时就是看我们这个火箭的构型，三级发动机是一个比较细的一个脖子，这个当时我们是用了一个成熟的两米直径的发动机，这个的话，当时能够节省一些研制的费用，然后同时提高进度上的一些成本。

因为火箭的运载能力比较大，就要求我们整流罩的直径比较大，所以脑袋头就比较大，然后脖子又很细，所以这个就带来了一些气动外形的问题，因为火箭在飞跃大气段的时候，要经历稠密大气，所以对于这个气动，会有一些非线性的问题。

这个的话，首先是通过计算，另外就是通过试验，因为风洞试验是能够缩比，去获取这个数据的一个最好的办法，但是我们整个这个项目研制进度又很紧，当时风洞的排期排得比较晚，所以我们当时也是跑遍了全国各大的风洞试验的场地，确实因为咱们国家火箭的型号，还是任务都很重，包括很多国家的任务，其实我们当时很难第一时间去解决这个问题，但是团队不解决这个问题，又很难往下走，所以我们当时跟团队经过协商，也想了一个办法，就是我们用晚上的时间，来去做这个试验。

因为这个问题确实很关键，如果脖子比较细头比较大的话，在大气力的作用下，这个箭体有可能会折，因为脖子这个位置太脆弱了，所以我们怎么去解决这个问题，一个是通过要获取试验，我们才能去把脖子这个薄弱的位置去加强，所以这个过程，是对我们整个方案设计阶段，包括这个产品真正投产之前，是最重要的一个问题，所以我们当时就用晚上的时间，去用风洞试验的资源去解决，然后很多小伙伴，就抱着被子褥子，就住到试验室，通宵达旦地去判读数据，去看试验过程去判读数据，最终也是用了很长的时间，当时确实时间周期拉得也比较长，确实最终解决了这个问题。

在一级发动机和伺服系统的联合试车之前，由于伺服系统也是新研发的系统，配套厂商需要对这款新系统进行可行性验证。在验证过程中，出现了伺服系统的喷管不受控制的情况。此时距离联合试车的关键试验仅剩1个月时间，团队中必须有人留在这里解决这个问题。史晓宁自告奋勇留了下来，每天与伺服的研发团队泡在试验室和厂房，终于在距离联合试车仅剩10多天的时候，将这款全新研制的伺服系统完成了验收。

因为我们发动机，首先一级发动机，是国内最大的固体发动机，当时用了一个30千瓦的伺服，这个伺服是机电伺服，从发动机到伺服都是国内首创，甚至在国际上都是领先的新技术，其实我们从刚开始，设定指标的时候就非常高，所以到第一次验收，这个伺服产品的时候，其实进度方面已经有点落后了，因为我们当时我记得是2019年的十一，要做这个一级发动机的试车，这个发动机的试车，对于火箭研制是很关键的，因为火箭的能不能飞行成功，发动机是最主要的，如果火箭失去了动力，包括伺服的摆动出现问题的话，那可能对于这个飞行的成败是，打击是致命的，所以发动机和伺服，就是相当于控制发动机去摆动的一个机构，就这两个系统，对于火箭飞行来讲是至关重要的。

但是我们，恰恰在这两个关键的系统里面，又采用了很多的新的技术，所以在验收产品的时候，就发生了一些，指标不满足要求的情况，当时因为这个也是难免的，因为确实是首创，当时我记得整个团队，距离这个发动机试车，可能不到一个月的时间，这个当时压力还是很大的，怎么在一个月的时间内，要解决很多的技术问题，因为当时，涉及到一些性能指标的满足，所以我当时就跟我们的伺服的研制团队一起，当时就是不分昼夜，我记得当时还跨了一个中秋节，一直泡在试验室，当时试验的过程中，也出现了一些反复，包括出现了一些，这些意外这些的情况，甚至出现了一些意想不到的一些问题，当时这个压力很大，因为时间节点很重要，为了保证我们三年之内要首飞，每一个节点都不能放过，如果发动机试车的节点推后了，后面所有的节点都要推。

所以我们当时，对发动机试车这一个月，当时团队的要求是，一定要解决这个问题，所以我们当时不分昼夜，一直在试验室，然后披星戴月，中秋节也不休息，我记得是9月底，马上快十一了，最后一次这个系统联调的时候，当时是很顺利，然后把各个指标都满足了，然后当时整个团队也是非常鼓舞，然后收获也是满满的，然后大家也经历了这个过程，也是如释重负，最后试车也是圆满成功。

2022年7月27日，力箭一号运载火箭在我国酒泉卫星发射中心成功首飞。力箭一号的首飞成功，使得我国的固体火箭跨入了世界先进固体火箭行列！首飞成功后，史晓宁难掩内心激动和喜悦，在现场激动流泪，这是他第一次全程参与一发火箭的研制，对参史晓宁来说意义非凡。

其实进入遥一的发射阶段，从刚进入发射场的时候，其实心里还是没有那么大的波澜，因为，其实跟我整个研制过程中的感受，是差不多的，就是想憋住一股劲把它去达成，最终把它所有的技术都验证到，但是越到临近发射的时候，可能心态越有一些变化，尤其到火箭转场、转到发射区，就是临近发射的时候，心里的这个紧张，包括一些压力，就排山倒海的一样就来了，尤其到这个发射前一天，我特意抽出时间，下午去现场看了一下它，当时觉得确实还是心里很忐忑，因为火箭，坦白来讲我们工作做得很充分，但是它这里边一个是器件太多了，另外一个，火箭全飞行过程当中，都是自动化的控制，就是全靠它自己，也就是火箭点火出去之前，地面都可以去干涉，我们的人、我们的团队，我们的技术团队，都可以去干涉它，都可以，比如说有问题还能去排查，去重新进入流程重新组织发射。

但是一旦它点火飞了以后，就完全靠它自己，所以确实越到点火的那一刻，心里就越紧张，怎么说呢，就把我过去三年，这个火箭从每一个零件的计算，到每一个参数的设计，大脑里边就反复地去过，看看是不是有哪些环节遗漏了，或者是还没有考虑到，就一遍一遍地在过，甚至就是发射前一天晚上，就没有办法好好的去睡一觉，一直在去想每一个技术细节，所以到倒计时的时候，就是整个手心全是汗，确实很紧张，一直在考虑它飞行过程中去的，一个反复地去放映，当火箭点火以后，就是我当时，跟我们的整个发射的团队，坐在一起，当时我们就一起，就不约而同地说了一句话，后面就看它自己了，确实是飞过去以后，它一次一次各级的分离，包括最后星箭分离，整个其实点火以后，我的这个脑袋里面都是，大脑都一片空白，因为也不知道该去做什么工作了，也没有办法去干预它的这个飞行，确实是大脑一片空白，当现场宣布它星箭分离成功，高精度入轨的时候，突然是如释重负，突然就是缓过来了，其实那一刻也没有完全缓过来，当时是坐在这个位置上，坐在这指挥大厅坐了很久。

过去三年的这个攻关，包括发射过程中的一个压力，就是一下释放，确实有一个，对于我个人的心理来讲，有一个过程，所以当时从火箭的指控大厅，到指挥大厅跟我们团队，因为我当时是在指控大厅，是在这个火箭的指挥屏旁边，去监控它的这个轨迹，当时可能跟团队没有在一起，等我从这个指控大厅，到指挥大厅跟团队见面的时候，确实看着我们一个个，一起奋斗的小伙伴，确实当时很激动，也是一个个跟我们小伙伴拥抱，也是抑制不住心里的激动，也是流了眼泪，然后跟我们团队，因为确实这个三年太艰难了，整个过程中没日没夜的去攻关，解决了很多问题，很多问题对我们来讲都是全新的，所以过程越艰辛，最后那一刻可能心理越复杂，所以这个激动，也不光是兴奋、感动，各种感情都在一起，唯一能表达的可能就是眼泪。

力箭一号作为国内最大的固体火箭，是中国科学院“十四五”重大项目，面向空间科学和空间技术发展需求以科学与工程相结合为指导思想，以创新、先进、高效为设计思路。发展创新性、先进性、经济性运载火箭。对于推动我国运载技术和研制模式的变革和创新，推动空间科学发展意义重大。

力箭一号是我们国内最大的固体火箭，它从运载能力、可靠性、入轨精度包括运载系数，都达到了一个国际领先水平，跟国际的一些包括织女星火箭，像大家比较了解的像SpaceX的这些猎鹰火箭，虽然它是液体火箭，但是整个从这些效率上来讲，都是可以去竞争、去匹敌的。

力箭一号的技术创新，我们提出了这个十三项国内首创，解决了六大关键技术，这些都是怎么来的呢，就是从我们顶层的指标要求来的。因为我们火箭，首先不可能做的过于庞大，过于复杂，这样的话，对于成本、对于发射使用，都是没办法去完成的，所以火箭要尽可能地去精简，做的尽可能地去小，使用流程尽可能地去简化，甚至我们提出笔记本一键式发射，远程就是一两个人，就能执行一次发射任务，所以这都需要我们去，在箭上的控制系统，包括结构系统，各个技术去创新。

这些创新，也是贯穿在我们整个研制过程中来的。我个人对创新的理解，创新其实是从需求出发的，创新不是平白无故的产生的，不是去刻意地去创新，其实创新更多的是，要去解决一些应用的问题，像大家比较了解的SpaceX这个，回收、重复使用，它是一个非常大的创新，这个是从我们降低成本，去能发射更多的卫星，去低成本的去发射更多的卫星，来出发的，力箭的创新也是一样，所以我觉得创新的本质，是要满足商业和应用的一个需求。

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