長三甲系列火箭發(fā)射研制技術(shù)

劉立東，張亦樸，李 聃，胡 煒，賈大玲

（北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

0 引 言

自1994年2月8日，長征三號甲（CZ-3A）系列火箭一箭雙星發(fā)射實(shí)踐四號衛(wèi)星和模擬星首飛成功以來，CZ-3A系列火箭型號已經(jīng)走過了輝煌的25年，在探月工程、北斗工程和國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)中發(fā)揮了重要作用，截至2019年5月，已經(jīng)完成型號的第101次發(fā)射任務(wù)，前100次發(fā)射成功率達(dá)到98%，處于世界一流水平。本文對CZ-3A系列火箭25年來的技術(shù)歷程進(jìn)行總結(jié)，對未來的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

1 研制歷程

CZ-3A系列研制中，按照“上改下捆、先改后捆、堅(jiān)持三化、統(tǒng)籌發(fā)展”的總體方案，首先研制火箭氫氧三子級構(gòu)成CZ-3A火箭，作為火箭系列化的第1步，再以CZ-3A作為芯級，捆綁4枚或者2枚助推器，形成長征三號乙（CZ-3B）和長征三號丙（CZ-3C）火箭。

1986年2月，中國新一代通信衛(wèi)星工程正式立項(xiàng)，CZ-3A作為工程配套的火箭也正式啟動(dòng)研制工作，在充分繼承長征三號（CZ-3）火箭成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破了以大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)調(diào)陀螺四軸平臺、冷氦加溫增壓和氫氣能源雙擺伺服機(jī)構(gòu)四大關(guān)鍵技術(shù)為代表的上百項(xiàng)新技術(shù)項(xiàng)目，使得中國運(yùn)載火箭技術(shù)跨上一個(gè)新臺階；同時(shí)也使得中國火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）運(yùn)載能力達(dá)到了2600 kg，提升了中國運(yùn)載火箭在國際衛(wèi)星發(fā)射市場上的競爭力。

以CZ-3A火箭為基礎(chǔ)，上改下捆，研制了CZ-3B火箭，標(biāo)準(zhǔn)GTO發(fā)射能力達(dá)到5500 kg。盡管在1996年2月15日首飛發(fā)射國際708衛(wèi)星失敗，但完成全面的質(zhì)量整頓和徹底歸零后，CZ-3B圓滿完成了以馬部海通信衛(wèi)星、亞太二號R通信衛(wèi)星、中衛(wèi)一號通信衛(wèi)星、鑫諾一號通信衛(wèi)星為代表的多項(xiàng)國外商業(yè)衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，在國際商業(yè)發(fā)射市場中占據(jù)了一席之地。CZ-3B火箭及其各種改進(jìn)構(gòu)型是 CZ-3A系列火箭的主力火箭，主要發(fā)射高軌軍事通信衛(wèi)星、商業(yè)通信衛(wèi)星、北斗二號的中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛(wèi)星、北斗三號衛(wèi)星和風(fēng)云四號氣象衛(wèi)星等。2013年12月2日，CZ-3B火箭將嫦娥三號探測器送入太空，為探測器月面軟著陸，開展月面就位探測與自動(dòng)巡視探測奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2018年12月8日，CZ-3B火箭將嫦娥四號探測器送入太空，實(shí)現(xiàn)了人類首次月背軟著陸。截止到2019年5月，CZ-3B火箭共發(fā)射57次。

2008年4月25日，CZ-3C火箭成功發(fā)射天鏈一號01星圓滿成功，標(biāo)志著中國突破了非全對稱火箭設(shè)計(jì)技術(shù)，使得中國高軌任務(wù)運(yùn)載能力分布更加合理，實(shí)現(xiàn)了CZ-3A系列火箭真正的系列化、組合化。CZ-3C火箭標(biāo)準(zhǔn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力達(dá)到3700 kg。截止到 2019年5月，CZ-3C火箭共發(fā)射17次，全部獲得圓滿成功。

2 CZ-3A系列火箭構(gòu)型現(xiàn)狀

截至目前，CZ-3A系列火箭家族包括共10個(gè)子構(gòu)型，最終形成構(gòu)型豐富、梯度合理、模塊通用的CZ-3A系列火箭，目前CZ-3B、CZ-3C和CZ-3B/G1火箭已停止生產(chǎn)，不再提供發(fā)射服務(wù)。主力在役和在研構(gòu)型見圖1，截止2019年5月份，各構(gòu)型發(fā)射次數(shù)和運(yùn)載能力見表1。

圖1 CZ-3A系列火箭構(gòu)型Fig.1 LM-3A Series

表1 CZ-3A系列火箭各構(gòu)型能力Tab.1 LM-3A Series Capacity

CZ-3B/G5火箭整流罩全長10 281 mm，殼體最大直徑Φ4200 mm，從上到下由前錐段（含球冠）、柱段、倒錐段組成，具體外形和包絡(luò)尺寸如圖 2所示。同時(shí)，新研2334A接口衛(wèi)星支架及包帶。衛(wèi)星支架是高1400 mm的截錐蜂窩夾層結(jié)構(gòu)，夾芯為鋁蜂窩，外層為碳纖維，上端名義直徑Φ2334 mm，下端直徑Φ2900 mm的截錐體。

為進(jìn)一步適應(yīng)衛(wèi)星的發(fā)射需求，CZ-3A系列火箭最新構(gòu)型CZ-3B/G5火箭擬于2020年發(fā)射。通過發(fā)射軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)、新研4200ZL整流罩、控制系統(tǒng)采用迭代+攝動(dòng)制導(dǎo)方案、應(yīng)用主動(dòng)減載技術(shù)、采用火箭全方位起飛滾裝定向方案、研制2334A接口衛(wèi)星支架和星箭解鎖裝置等措施，使得 500 km太陽同步軌道（Sun-synchronous Orbit，SSO）運(yùn)載能力達(dá)到 4500 kg。

圖2 CZ-3B/G5火箭整流罩Fig.2 LM-3B/G5 Fairing

3 CZ-3A系列火箭發(fā)射技術(shù)創(chuàng)新成果

技術(shù)創(chuàng)新一直以來都是 CZ-3A系列火箭的優(yōu)良傳統(tǒng)，研制過程中型號突破了四大關(guān)鍵技術(shù)，使得服役初期的 CZ-3A系列火箭綜合性能達(dá)到了國際一流水平，但型號并未就此停止創(chuàng)新的步伐。隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，結(jié)合國家重大工程任務(wù)的研制立項(xiàng)，CZ-3A系列火箭不斷創(chuàng)新，自2007年CZ-3A火箭取得“金牌火箭”稱號后，又取得了一系列豐碩的創(chuàng)新成果。

3.1 CZ-3C構(gòu)型總體技術(shù)創(chuàng)新成果

2008年4月25日，CZ-3A系列火箭中的CZ-3C火箭首飛成功，成為中國首個(gè)非全對稱火箭，標(biāo)志著中國突破了非全對稱火箭設(shè)計(jì)技術(shù)。與傳統(tǒng)軸對稱構(gòu)型運(yùn)載火箭相比，CZ-3C火箭取得了很多技術(shù)突破，其主要技術(shù)創(chuàng)新包括：運(yùn)載火箭外形及總體設(shè)計(jì)技術(shù)，非軸對稱構(gòu)型火箭發(fā)射軌道設(shè)計(jì)技術(shù)，非軸對稱構(gòu)型火箭氣動(dòng)設(shè)計(jì)技術(shù)，非軸對稱構(gòu)型火箭動(dòng)力學(xué)，運(yùn)動(dòng)學(xué)模型設(shè)計(jì)技術(shù)，非軸對稱構(gòu)型火箭動(dòng)特性設(shè)計(jì)技術(shù)，非軸對稱構(gòu)型火箭分離設(shè)計(jì)技術(shù)，一級尾段結(jié)構(gòu)適應(yīng)尾翼及助推器安裝設(shè)計(jì)技術(shù)以及運(yùn)載火箭三通道交連姿態(tài)控制技術(shù)8個(gè)方面。

CZ-3C火箭的首飛成功為中國非軸對稱構(gòu)型運(yùn)載火箭的總體設(shè)計(jì)摸索出了一套有效的設(shè)計(jì)方法：a）針對非軸對稱構(gòu)型，姿態(tài)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)復(fù)雜程度大幅增加，CZ-3C火箭在長征系列運(yùn)載火箭中首次全程采用了三通道交聯(lián)解耦的控制方式，極大地提高了運(yùn)載火箭的適應(yīng)性；b）CZ-3C火箭采用了系列化、通用化、組合化的設(shè)計(jì)原則，其箭體結(jié)構(gòu)和絕大部分單機(jī)設(shè)備可以完全與 CZ-3B火箭通用，有效降低成本。CZ-3C火箭的研制成功使CZ-3A系列火箭形成了完整的系列，構(gòu)成了中國高軌道運(yùn)載能力最大、適應(yīng)性最強(qiáng)的火箭群體，進(jìn)一步提高了中國高軌道運(yùn)載器對各種有效載荷的任務(wù)適應(yīng)性和選擇的靈活性，增強(qiáng)了長征系列運(yùn)載火箭在國際衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)市場的競爭力。

3.2 探月工程中技術(shù)創(chuàng)新成果

在探月工程任務(wù)實(shí)施過程中，針對深空探測任務(wù)的特殊需求，CZ-3A系列運(yùn)載火箭突破了以下幾項(xiàng)重要技術(shù)：

a）基于長時(shí)間滑行的地月轉(zhuǎn)移軌道多窗口發(fā)射技術(shù)。

提出了延長火箭滑行時(shí)間、提前加入偏航并加入相反方向程序角等軌道設(shè)計(jì)新方案，解決了多窗口、多約束條件下空間交匯軌道設(shè)計(jì)難題；突破了運(yùn)載火箭全量姿態(tài)動(dòng)力學(xué)控制、小邦德數(shù)連續(xù)沉底、長時(shí)間滑行發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷程序等新技術(shù)，解決了低溫火箭長時(shí)間滑行失重狀態(tài)下氫氧推進(jìn)劑晃動(dòng)抑制和溫度控制等影響二次啟動(dòng)的難題；攻克了適應(yīng)多窗口發(fā)射的運(yùn)載火箭飛行軟件設(shè)計(jì)難題，在測試發(fā)射控制體制和箭地接口不變、各系統(tǒng)測發(fā)流程兼容等約束條件下，解決了發(fā)射窗口變更后多個(gè)飛行軟件的快速變換的瓶頸問題。

b）基于末級鈍化推力變軌的月球借力軌道設(shè)計(jì)技術(shù)。

提出利用末級鈍化推力提供較小速度增量和借用月球引力提供較大速度增量的新方案，解決了末級再入地球帶來的安全性問題；提出了利用火箭末級剩余能量進(jìn)行軌道修正的設(shè)計(jì)方案，解決了器箭分離后火箭進(jìn)行軌道修正需要的能源問題；綜合考慮多類偏差工況，實(shí)現(xiàn)了基于月球引力場的器箭遠(yuǎn)場安全設(shè)計(jì)，解決了深空多物體復(fù)雜引力場條件下的遠(yuǎn)場安全問題。

c）地月自由返回發(fā)射軌道設(shè)計(jì)技術(shù)。

主要解決了火箭自身低溫動(dòng)力系統(tǒng)最短滑行時(shí)間不少于200 s的限制，近地點(diǎn)幅角超出范圍的問題，滿足了連續(xù)3天發(fā)射窗口的要求。

d）運(yùn)載火箭低溫加注后不泄出推進(jìn)劑延遲 24 h發(fā)射技術(shù)。

提出低溫推進(jìn)劑不泄出條件下的火箭延遲24 h發(fā)射總體方案，解決了低溫推進(jìn)劑加注后可推遲發(fā)射時(shí)間不適應(yīng)探月工程準(zhǔn)時(shí)發(fā)射的難題；提出液氫低液位停放和小流量自動(dòng)補(bǔ)加相結(jié)合的氫蒸發(fā)量抑制方案，解決了推遲發(fā)射期間液氫蒸發(fā)量過大的問題；提出了氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)自流預(yù)冷方法，解決了發(fā)動(dòng)機(jī)預(yù)冷后只能推遲2 h發(fā)射的限制問題。

3.3 北斗工程中技術(shù)創(chuàng)新成果

北斗工程對運(yùn)載火箭提出了一型火箭多軌道面組網(wǎng)發(fā)射的新要求。需要CZ-3A系列火箭具備高、中軌道高度，東射向、南射向多方向的發(fā)射能力。為加快組網(wǎng)速度，減少工程建設(shè)成本，運(yùn)載火箭系統(tǒng)開展了CZ-3B/G1及G4構(gòu)型火箭的研制，在火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分離技術(shù)、環(huán)境控制等方面取得了重大技術(shù)突破，對其它新型火箭的研制也有重要的借鑒意義。

CZ-3A系列火箭針對北斗工程這一突出特點(diǎn)，開展了有針對性的研制，突破了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。通過遠(yuǎn)距離測發(fā)控系統(tǒng)的建設(shè)、控制地面測發(fā)控系統(tǒng)的冗余設(shè)計(jì)，提高了測發(fā)控系統(tǒng)完成控制系統(tǒng)綜合試驗(yàn)、出廠測試及靶場發(fā)射任務(wù)的能力；貯箱射前地面增壓技術(shù)確保了射前貯箱增壓的可靠性；連接器自動(dòng)脫落技術(shù)，測試及靶場發(fā)射任務(wù)的能力；貯箱射前地面增壓技術(shù)確保了射前貯箱增壓的可靠性；連接器自動(dòng)脫落技術(shù)，對氣脫供氣系統(tǒng)進(jìn)行冗余，消除單點(diǎn)故障環(huán)節(jié)；儀器電纜安裝防水防潮技術(shù)的成功應(yīng)用，解決了目前電纜、電連接器本體無法適應(yīng)雨季發(fā)射的問題，提高了發(fā)射的可靠性；連續(xù)液位傳感器控制液氧加注技術(shù)的成功應(yīng)用，在中國運(yùn)載火箭上首次實(shí)現(xiàn)了對低溫推進(jìn)劑加注量的實(shí)時(shí)、連續(xù)控制，對 CZ-3A系列運(yùn)載火箭高密度發(fā)射提供了有力保障，提高了發(fā)射適應(yīng)性和發(fā)射可靠性。

4 結(jié)束語

CZ-3A系列火箭是中國首個(gè)實(shí)現(xiàn)系列化、通用化、組合化的火箭，通過持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和可靠性成果的工程應(yīng)用，CZ-3A系列運(yùn)載火箭的綜合技術(shù)性能達(dá)到了中國和國際先進(jìn)水平。后續(xù)型號將傳承優(yōu)秀創(chuàng)新基因、勇于拓展，技術(shù)改進(jìn)和產(chǎn)品換型并舉，研制新一代中型高軌火箭。主要技術(shù)特點(diǎn)包括：

a）總體方案應(yīng)基于模塊化設(shè)計(jì)、高可靠、綠色安全、智能控制的研制原則；

b）突破火箭總體集成化設(shè)計(jì)、發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)、智慧控制、優(yōu)化測試發(fā)射流程、無人值守、重復(fù)使用等關(guān)鍵技術(shù)，提升火箭的性能；

c）推行子級模塊產(chǎn)品化，從部段、系統(tǒng)、單機(jī)、組件等各維度推行產(chǎn)品化，提高產(chǎn)品共用程度；

d）采用電氣系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)思想，采用自瞄準(zhǔn)、箭上自測試方案，簡化測試狀態(tài)轉(zhuǎn)換，提升自動(dòng)化測試水平；

e）貫徹模塊化和批量生產(chǎn)設(shè)計(jì)理念，簡化生產(chǎn)制造工藝，推動(dòng)裝配自動(dòng)化。