新箭新星齊騰空

尹懷勤

4月25日，我國今年首次宇航發射獲得成功。這是一次新箭新星的雙首飛，也是今年發射15箭17星1船的計劃的一個精彩開局。

長三甲火箭家族成員

所謂新箭，乃是指此次發射的長征三號家族的新成員也是最后一位成員——長征三號丙運載火箭。長征三號火箭家族包括長三甲、長三乙、長三丙3種型號。它們均屬于高軌道運載火箭，用來發射靜止軌道衛星和宇宙深空探測器，都是從西昌衛星發射中心起飛的。

長三甲火箭自1994年2月8日首飛以來，已執行過15次發射任務。它于1986年3月開始研制，用了不到8年時間即投入使用。這種三級液體火箭，全長52.52米，一、二級直徑3.35米，采用偏二甲肼為燃燒劑、四氧化二氮為氧化劑的常規推進劑；三級直徑3米，采用液氫為燃燒劑、液氧為氧化劑的低溫高能推進劑。火箭起飛質量241噸，可將2.6噸重的有效載荷送入地球同步轉移軌道。

長三乙火箭1989年7月開始研制，1996年2月15日首飛，迄今已進行過9次發射。它是一種三級半液體運載火箭。半級是指在其一級火箭周圍對稱地捆綁著4個液體助推器。火箭全長54.83米，一、二級直徑3.35米，采用常規推進劑；三級直徑3米，采用低溫高能推進劑；助推器直徑2.25米，采用常規推進劑。其起飛質量426噸，能把5.5噸重的有效載荷送入地球同步轉移軌道。

雖然在研制長三乙過程中就開始了長三丙的研制工作，但是直到1998年才開始集中力量進行攻關，2001年通過評審轉入應用發展階段，2005年正式投產。從結構原理上講，長三丙火箭是將長三乙火箭去掉兩個助推器而成的。換句話說，它也是一種三級半液體火箭，只是在第一級周圍僅捆綁著兩個助推器。火箭全長約55米，起飛質量約343噸，能把3.8噸重的有效載荷送入地球同步轉移軌道。其運載能力介于長三甲和長三乙之間，在已有的兩種火箭中間鋪設了一個臺階。長三丙火箭的投入使用，使長三甲家族火箭在航天發射市場上有了更廣闊的適用性。

火箭新丁“長三丙”

原來的長三乙火箭，在第一級周圍全對稱地捆綁著4個助推器，去掉第一、第三兩個助推器之后就成了長三丙火箭。這看起來是件較簡單的事，可實際上卻不盡然。因為此舉帶來了非全對稱構型火箭難題，需要進行一系列的技術創新才能解決，這也是長三丙成為長三甲家族成員中老幺的一個重要原因。

結構上的非全對稱性，對火箭在飛行過程中的平衡是一個巨大的考驗，也給火箭的姿態控制提出了新的課題。這使長三丙的總體設計狀態與前兩枚火箭有很大的不同。其氣動設計、彈道即飛行軌跡設計、載荷設計、姿控設計等都需要進行重新匹配與規劃。

為了確保火箭飛行的可靠性和安全性，科研人員充分考慮火箭在穿越大氣層時遇到的各種惡劣情況，經過大量理論分析和試驗，才確定了它的各種氣動特性數據。綜合權衡衛星軌道和入軌姿態要求、地面測控站的布局、殘骸落區的安全以及風速、風向等因素，科研人員為長三丙火箭設計了一條全新的飛行路線。其中火箭助推器及各級殘骸落區的設定，都考慮了當地人口密度和環境情況等因素。在姿控設計中，科研人員把火箭飛行所經受的各種內、外干擾，包括氣動外形不對稱、質心位置偏差、發動機推力偏差等影響加以統一考慮，才確定了最后方案。開始設計長三丙火箭時，在去掉兩個助推器的位置上未加任何裝置。后來的姿控設計為了提高火箭飛行過程中偏航通道穩定裕度，才在兩處分別安裝了相同的尾翼。

箭上控制系統是火箭的大腦。火箭飛行中的一系列動作變化，皆來自控制系統的指令。此前的所有長征系列火箭均為全對稱結構，控制技術已很成熟，而長三丙火箭的結構特殊，為此，科研人員圍繞火箭在空間飛行的狀態做了255種仿真試驗，最終提出了新的控制方法，為長三丙火箭量身定做了一套可控的飛行程序。這一技術成果為我國今后研制結構外形非全對稱的運載火箭控制系統奠定了扎實基礎。

擁有兩個助推器的長三丙火箭，雖說是我國航天運載技術發展史上的一個開先河之作，但在國際上并不孤獨。世界上早已出現這種結構的運載火箭。與同類型的火箭相比，長三丙火箭技術水平是一流的。用國際上公認的一個標志火箭綜合性能的參數——運載系數，即火箭發射到預定軌道的運載能力，它用有效載荷除以起飛質量來衡量，長三丙火箭為1.1％，占世界第三位。我國已將長三丙火箭投放國際航天發射服務市場，對外承攬發射業務。就該火箭的運載能力而言，適合它發射的衛星仍有一定數量，其服務期限預計不少于20年。

“天鏈一號”——我國首顆數據中繼衛星

長三丙火箭于4月25日23時35分頭頂著裝在整流罩內的“天鏈一號”01星，從西昌衛星發射中心拔地而起，直飛蒼穹。25分鐘后，西安衛星測控中心獲得的數據表明，衛星準確進入預定的地球同步轉移軌道。在此期間，長三丙火箭的助推器和一、二級火箭工作完畢后依次離去，只有第三級火箭經過兩次點火，待第二次工作完畢將衛星送入預定軌道后才實現星箭分離。預定的地球同步轉移軌道，是指近地點為數百千米、遠地點約為3.6萬千米的大橢圓軌道。

此后，西安衛星測控中心組織喀什、廈門、三亞等地面測控站和遠望三號、五號航天測量船對衛星進行了持續跟蹤與控制，完成了星上太陽能電池帆板展開，指令控制星上姿控發動機和遠地點發動機點火與關機，使衛星進行了4次飛行變軌，按要求從地球同步轉移軌道準確進入地球靜止軌道，并建立預定飄移速度，在控制衛星實施多批次位置保持后，衛星于5月1日16時25分成功定點在預定的東經77度赤道上空，進入工作位置。

這里說的地球靜止軌道，亦稱赤道同步軌道。它是一條位于地球赤道上空35786千米高的圓形軌道。當衛星在這條軌道上以每秒3.07千米的速度自西向東運行1周時，恰好是23小時56分4秒，正與地球自西向東自傳1周的時間相同，兩者位置保持相對靜止，從地面上看，衛星猶如固定在赤道上空某一點不動一樣。“天鏈一號”01星就是以這種速度運行在靜止軌道上的一顆衛星，特像掛在東經77度赤道上空近3.6萬千米高的一座中繼塔。

“天鏈一號”01星是我國首顆數據中繼衛星。它由中國空間技術研究院為主研制，采用成熟的東方紅三號通用平臺并突破多項關鍵技術而成。該星于2003年獲準立項，從總體設計、技術攻關到完成研制用了5年時間。它的成功定點，填補了我國衛星領域的又一空白，故而稱為新星。選用長三丙火箭發射“天鏈一號”01星，人們即可想到衛星重量近于3.8噸。

中繼衛星既能轉發地面測控站和海洋航天測星船對中、低軌道航天器的跟蹤、遙控信息，又能轉發航天器發回地面的數據，故而可為飛船、衛星等航天器提供測控和數據中繼服務，它相當于把地面上的測控站升高到了地球靜止軌道的高度，一顆衛星就能觀測到大部分在近地空域內飛行的航天器，大大擴大了測控指令和數據資料傳輸的空間。“天鏈一號”01星成功定點標志著我國航天測控覆蓋率將大幅提升，我國航天器太空數據中轉站正式建成。

已經定點的“天鏈一號”01星，主要用于為我國神舟載人飛船及后續載人航天器提供測控和數據中繼服務，將使測控覆蓋率由原來的12％提高到60％左右，同時能在相應范圍內實時轉發航天器發回地面的數據。它還為我國發射其他航天器提供測控支持，為其中的中、低軌道衛星轉發遙感遙測數據，能使資源衛星、氣象衛星、海洋衛星的數據在較大空間內實時下傳，極大提高各類衛星使用效益。顯而易見，這將為我國應對重大自然災害贏得更多預警時間。隨著我國航天事業的發展，中繼衛星將會得到更廣泛的應用。

責任編輯龐云