“長征”三號甲系列火箭發(fā)展歷史與成就

賈大玲、金志強 /北京宇航系統(tǒng)工程研究所

“長征”三號甲系列運載火箭自1986 年開始研制至今，經(jīng)過8 年研制、25 年飛行，目前已成為我國現(xiàn)役的高軌主力運載火箭，在承擔我國各重大工程任務中表現(xiàn)卓越，在構建高軌空間基礎設施、實施深空探測、馳騁國際商業(yè)發(fā)射市場等領域發(fā)揮著“擎天柱”的作用，2018 年更是突破年發(fā)射量14 發(fā)的國內最高紀錄，并全部取得圓滿成功。

“長征”三號甲系列火箭是由中國航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院抓總研制的高軌三級液體系列運載火箭，分別由“長征”三號甲、“長征”三號乙、“長征”三號丙3 種火箭組成。“長征”三號甲系列火箭是在我國第一枚采用液氫液氧發(fā)動機的高軌道運載火箭——“長征”三號的基礎上發(fā)展演變而來的，在設計過程中貫徹了“系列化、組合化、通用化”的設計思想，具有良好的繼承性和通用性。其中，“長征”三號甲火箭繼承了“長征”三號火箭的成熟技術，采用了新設計的液氫液氧第三級；“長征”三號乙火箭是將“長征”三號甲火箭作為芯級，對芯級進行級間比優(yōu)化并在一子級捆綁4 個液體助推器構成；“長征”三號丙火箭是將“長征”三號甲火箭作為芯級，對芯級進行級間比優(yōu)化并在一子級捆綁2 個液體助推器構成。

自1994 年2 月8 日“長征”三號甲火箭成功首飛至今，“長征”三號甲系列火箭用25 年時間完成了超百次發(fā)射，開創(chuàng)了中國運載火箭單一系列型號發(fā)射破百的先河，并以其高成功率、高可靠性、高密度發(fā)射能力在世界航天界擁有極好的口碑和知名度。多年來，在航天精神的指引下，“長征”三號甲系列型號隊伍披荊斬棘、不斷創(chuàng)新、提升能力，在航天運輸領域里獲得諸多科技創(chuàng)新及管理創(chuàng)新的成就，圓滿完成以嫦娥工程、北斗工程為代表的國家重大工程任務，為新中國輝煌70 年的偉大成就增光添彩。

一、傳承經(jīng)典，金牌火箭家族應運而生

1984 年4 月8 日，在“長征”三號火箭首次發(fā)射成功之時，中國運載火箭技術研究院的工程技術人員就開始醞釀新型火箭的技術發(fā)展途徑與設計方案，并于1985 年初提出了在“長征”三號的基礎上“上改下捆、先改后捆、分步實施”的發(fā)展思路。其中，“上改”就是對“長征”三號的第三級火箭進行重新設計；“下捆”就是在一級火箭的四周捆綁若干個液體助推火箭；“先改后捆”就是先研制經(jīng)過重新設計的芯級（即中心級）火箭，然后研制以其為基礎的捆綁型火箭。1986 年2 月28 日，航天工業(yè)部向國務院上報了《關于加速發(fā)展航天技術的報告》， 3 月31 日國務院以國發(fā)（1986）41 號文件批準了這一報告，自此，“長征”三號甲火箭研制工作的帷幕正式拉開。經(jīng)過8 年艱苦鏖戰(zhàn)，型號隊伍攻克了以新型液氫液氧發(fā)動機、四軸小型慣性平臺、低溫氫氣能源雙向搖擺伺服機構和高壓低溫氦氣增壓系統(tǒng)為代表的40 多項重大新技術，并于1994 年2 月8 日在西昌發(fā)射場將DFH-3 通信衛(wèi)星與“夸父”一號（KF-1）模擬衛(wèi)星先后送入預定軌道，首次飛行試驗獲得了圓滿成功。

“長征”三號甲火箭誕生之時，恰逢國家正處于改革開放之初，面對當時世界衛(wèi)星發(fā)射服務市場上出現(xiàn)的發(fā)射能力嚴重不足、用戶排隊等待發(fā)射衛(wèi)星的機遇，國家作出了將運載火箭投入國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務市場的部署。為此，研究院緊緊抓住這一難得的機遇，在中國長城工業(yè)公司等單位共同努力下，瞄準國外主力衛(wèi)星平臺的運載力需求，充分利用前期的研制基礎，迅速將“長征”三號甲火箭的發(fā)展衍生型——“長征”三號乙和“長征”三號丙推向國際市場。1991 年7 月，在國際通訊衛(wèi)星組織進行的新一輪衛(wèi)星發(fā)射服務招標中，研究院以論證中的“長征”三號乙進行了投標，最終在1992 年4 月24 日正式簽訂發(fā)射服務合同，并在隨后不到一年的時間內共簽訂了4 個用“長征”三號乙、“長征”三號丙發(fā)射美國、歐洲衛(wèi)星的合同，從而快速牽引了這2 個新型運載火箭分別于1993 年2 月 和1994 年4 月的立項研制，“長征”三號甲型號隊伍創(chuàng)造了“拿著草圖簽合同，拿著合同找貸款，拿著貸款造火箭”的業(yè)界奇跡。

“長征”三號甲系列火箭從設計之初就秉承著“三化”設計理念，從設計上盡可能保證火箭的可靠性、經(jīng)濟性及研制工作的快捷性，倡導并堅持實施“一品多試”“一試多效”的原則，率先推進運載火箭的產(chǎn)業(yè)化發(fā)展。經(jīng)過多年的研制發(fā)展和統(tǒng)型工作，“長征”三號甲系列目前擁有“長征”三號甲、“長征”三號乙/改進Ⅱ型、“長征”三號丙/改進Ⅱ型、“長征”三號乙/G3 改進Ⅲ型、“長征”三號乙/“遠征”一號、“長征”三號丙/“遠征”一號、“長征”三號乙/改進Ⅴ型（預計2020 年首飛）7 種主力構型，標準地球同步轉移軌道(GTO)運載能力覆蓋2.6～5.5 噸，主要用于地球同步轉移軌道（GTO）衛(wèi)星的發(fā)射任務，也可根據(jù)用戶需求將衛(wèi)星送入中圓轉移軌道（MTO）、傾斜同步轉移軌道（IGTO）、地月轉移軌道（LTO）和太陽同步軌道（SSO）等，還可根據(jù)任務要求與“遠征”一號上面級組合，將衛(wèi)星直接送入任務軌道。

1998 年，“長征”三號甲、“長征”三號乙火箭獲得國家科技進步特等獎。2007 年6 月15 日，“長征”三號甲火箭被中國航天科技集團公司授予“金牌火箭”的榮譽稱號。

二、鳳凰涅槃，質量可靠奠定成功之路

發(fā)展之路從來都不是一帆風順的，正當“長征”三號甲型號隊伍經(jīng)過4 年的艱苦攻關，終于在1996 年2 月15 日讓“長征”三號乙遙一火箭佇立在發(fā)射臺上，托舉InterSat-708 衛(wèi)星準備履約第一份商業(yè)發(fā)射合同之時，由于一顆小小的元器件失效，導致火箭起飛后約2 秒出現(xiàn)飛行姿態(tài)異常，在約22 秒后火箭觸地爆炸，星箭俱毀，幾年的心血瞬間化為烏有，型號隊伍承受著空前的壓力和失敗的痛苦。

然而，航天人是永不言敗的，面對失利痛定思痛，型號隊伍在日以繼夜后完成火箭故障分析工作，完成了12 類、122 項試驗，提出了44 項、256 條改進措施，并在此基礎上深入反思型號在產(chǎn)品設計、生產(chǎn)、制造過程中存在的質量管控不到位等問題，其中包括一系列強化型號質量管理、落實責任制的創(chuàng)新舉措，并在隨后多年的型號質量管理歷程中不斷完善與充實，形成了一套行之有效的、基于運載火箭研制生產(chǎn)特點的質量管理體系與方法，不僅全面提升了型號質量管控能力，成為了航天質量管理的法寶，還對其他型號產(chǎn)生了深遠的影響和借鑒意義。

“長征”三號乙火箭首飛失利后，產(chǎn)品可靠性問題引起了各級領導的高度重視，1997 年，時任航天工業(yè)總公司副總經(jīng)理的白拜爾提出要實施“生命工程”以提高“長征”三號甲系列火箭的可靠性，主要從“控制系統(tǒng)實現(xiàn)系統(tǒng)級冗余”和“進一步提高三級動力系統(tǒng)可靠性”這2 個方面開展研制工作。在“九五”可靠性增長工程項目中，型號隊伍專門開展了電子元器件可靠性增長研究工作，重點解決了氫氧發(fā)動機結構改進，火箭可靠性增長工作初見成效。“十五”期間，著力提高了平臺、伺服機構、冷氦壓力調節(jié)器等一批關鍵單機及三級發(fā)動機部分組件的可靠性，實現(xiàn)了平臺—激光慣組主從冗余，消除了平臺單點失效故障模式，并實現(xiàn)了三級發(fā)動機校準試車后不分解交付，滿足了組批生產(chǎn)可靠性要求。從“十一五”至今，火箭進入組批生產(chǎn)、高密度發(fā)射階段，可靠性工作要求和實施力度進一步加大，型號圍繞火箭總體、箭體結構、控制、動力、推進劑利用以及地面發(fā)射支持等系統(tǒng)，針對設計、工藝及測試3 個重點環(huán)節(jié)全面開展了整箭級可靠性增長工作。在總裝備部、國防科工局、航天科技集團的指導下，通過火箭可靠性增長工程、“北斗”衛(wèi)星工程可靠性專項、探月工程及院級型號可靠性等項目的實施，火箭比較突出的可靠性薄弱環(huán)節(jié)被逐一突破，型號可靠性工作成為“長征”三號甲系列運載火箭研制發(fā)展的基石，尤其對火箭組批生產(chǎn)和高密度發(fā)射的成功發(fā)揮了至關重要的作用。

通過20 多年持續(xù)的質量工作和可靠性增長設計，“長征”三號甲系列火箭的質量飛行可靠性達到0.95（置信度0.7），發(fā)射成功率達98%，位居世界火箭家族的前列。

三、技術創(chuàng)新，匠心獨運鑄造百戰(zhàn)金甲

創(chuàng)新，是“長征”三號甲系列火箭融入在血液里、銘刻在靈魂中的特質?！伴L征”三號型號隊伍始終以任務為導向、以圓滿成功為目標，勇于創(chuàng)新，精于創(chuàng)新，始終踐行“第一次把事情做對”的理念，在多年的研制發(fā)展過程中不斷創(chuàng)新、不斷完善，打造心目中日臻完美的金牌火箭。在20多年來“長征”三號甲系列火箭的研制發(fā)射歷程中，型號隊伍立足自身、瞄準前沿、超前布局，始終堅持開展專項研制工作，解決技術難題，完善技術基礎，以技術創(chuàng)新作為推手，不斷實現(xiàn)型號的自我完善和能力拓展。

在總體技術方面，型號隊伍在設計之初創(chuàng)新性地提出研制YF-75 低溫發(fā)動機、研制3m 直徑的三級火箭并采用捆綁技術，一舉占領運載火箭技術和能力的制高點，奠定了“長征”三號甲在國內中高軌衛(wèi)星發(fā)射領域里數(shù)十年無可匹敵的技術基礎；創(chuàng)新性地提出“平臺/激光慣組主從冗余+速率陀螺冗余+三冗余箭機+三冗余程配+衛(wèi)星導航”的系統(tǒng)級冗余方案，首次采用起飛滾轉定向技術和高空風雙向補償技術等，突破了冷氦增壓系統(tǒng)冗余技術，大大提高了整箭的飛行可靠性和適應性。針對不同任務的發(fā)射需求，型號創(chuàng)新性地開展地月軌道、中圓軌道任務的研制工作，開展了多種星箭接口研制，突破了“零窗口”發(fā)射技術、“多窗口”發(fā)射技術在國內首次開展了支持高軌道航天器直接入軌的上面級總體技術，帶動了多次啟動高比沖液體發(fā)動機、高強度無焊縫一體成型貯箱殼體、點式分離裝置降沖擊設計等多項關鍵技術創(chuàng)新并獲得工程化應用，在運載領域首次實現(xiàn)在軌飛行器的空間環(huán)境熱防護及推進劑管理技術等，極大地拓展了“長征”三號甲系列型號的任務適應能力，有力地保障了以探月工程、北斗組網(wǎng)任務為代表的國家重大工程、高軌通信、氣象衛(wèi)星、商業(yè)發(fā)射等任務的圓滿完成。

在測控技術方面，型號首次采用了運載火箭天基測量技術和5M 碼速率傳輸技術，大大提高了火箭對任務的適應能力；國內首次采用了低溫運載火箭圖像傳輸技術，推進了低溫運載火箭發(fā)射及飛行過程的可視化；國內首次采用了運載火箭無線傳感網(wǎng)絡技術，在箭上構建無線數(shù)據(jù)敏感及獲取子系統(tǒng)，提供了更為靈活的信息獲取技術手段，為解決箭上傳感器網(wǎng)絡重量大、結構復雜、安裝空間擁擠的問題提供了先進的技術途徑。

在地面測控發(fā)射技術方面，型號研制了遠距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)，代替了早期火箭的近控模式，極大提高了測試人員的安全性。近年來，型號開展了提高發(fā)射前人員安全性的專題研究，從技術改進與流程優(yōu)化2 個方面入手，大幅減少低溫加注階段及發(fā)射階段的前端測試人員及工時，并遵循分步實施、盡快落實的原則，進一步加強了低溫加注及發(fā)射階段的人員安全性。

針對“長征”三號甲系列火箭高密度發(fā)射帶來的落區(qū)安全控制方面，型號創(chuàng)新性地開展了火箭傘降落區(qū)控制技術研究，通過在助推器頭錐內安裝傘控系統(tǒng)，縮小助推器再入過程的落區(qū)范圍，減少對落區(qū)人員安全、財產(chǎn)安全的影響，同時也為其他火箭分離體可控回收提供了一種技術途徑。

四、管理變革，攻克高強密度發(fā)射高峰

“長征”三號甲系列火箭從1994 年2 月8 日首飛到2012 年3 月31 日完成第一個50 次發(fā)射，一共用了18 年時間，而到2019年4 月完成第二個50 次發(fā)射，僅用了7 年時間?？v觀“長征”三號甲系列火箭的發(fā)射記錄（見圖1）可以看出：型號經(jīng)歷了三輪高密度發(fā)射，發(fā)射強度和持續(xù)時間都不斷上升，尤其是2015年以來，高密度發(fā)射呈現(xiàn)常態(tài)化趨勢，對火箭生產(chǎn)、總裝、總測及發(fā)射各環(huán)節(jié)的質量、效率及科學銜接都提出了更高的要求。

圖1 “長征”三號甲系列火箭年度發(fā)射次數(shù)一覽表

自2006 年起進入第一輪高密度發(fā)射階段，型號就在考慮采用新的管理思路來應對新的任務形勢，采取柔性作業(yè)的運載火箭批生產(chǎn)管理模式組織研制生產(chǎn)，即“原材料和元器件按成批采購，部分通用單機和零、部（組）件組批生產(chǎn)、組批驗收、按發(fā)次交付，系統(tǒng)綜合試驗、火箭總裝和出廠測試按任務和發(fā)次管理，多發(fā)滾動交付發(fā)射”的模式，通過嚴抓質量控制關鍵點、批量化研制生產(chǎn)、短板資源統(tǒng)籌協(xié)調等具體措施，打破國內運載火箭單發(fā)定制的固有模式，火箭生產(chǎn)效率獲得顯著提高，為隨后近10 年的科研生產(chǎn)任務的順利實施及兩輪高密度發(fā)射任務的圓滿完成發(fā)揮了重要作用。

2015 年，“長征”三號甲系列運載火箭進入了第三輪高密度發(fā)射時期，出現(xiàn)了高強密度常態(tài)化下多型號并舉、多任務并行、資源高度緊張的新形勢。在此背景下，型號隊伍繼續(xù)在管理創(chuàng)新上挖潛力，轉換管理思維，創(chuàng)新性地提出運載火箭項目群多任務并行出廠發(fā)射的全新管理模式，通過雙工位交叉并行綜合試驗、總裝和出廠測試、出廠質量評審流程優(yōu)化、兩發(fā)火箭同時出廠運輸、多任務交叉并行測試發(fā)射、合理優(yōu)化發(fā)射場測試發(fā)射流程、發(fā)射隊崗位精簡及測試隊伍動態(tài)管理等措施，在國內首次實現(xiàn)一支隊伍在發(fā)射場同時開展2 發(fā)火箭的測發(fā)工作，達到2 發(fā)火箭“同時出廠、同時運輸、同時測試、交替發(fā)射”的目標，有效縮短了2 發(fā)火箭的發(fā)射間隔。

針對傳統(tǒng)運載火箭研制生產(chǎn)模式適應任務調整變化能力差的特點，經(jīng)過深入分析論證，選擇從技術創(chuàng)新和管理創(chuàng)新2 個方面入手，首次提出了運載火箭去任務化研制生產(chǎn)管理模式，并分步組織實施，確定了“運載火箭構型統(tǒng)一，系統(tǒng)技術狀態(tài)固化；通用產(chǎn)品批量投產(chǎn)，特殊產(chǎn)品定制生產(chǎn)；火箭投產(chǎn)明確發(fā)次，總裝綁定任務屬性”的工作思路和實施路線，經(jīng)大部段、單機試點并逐步推廣到系統(tǒng)級、整箭級產(chǎn)品與任務發(fā)次代號脫鉤，在提升運載火箭研制批生產(chǎn)效率的同時，大大加強火箭對任務調整的適應能力，最終在2018年實現(xiàn)4 發(fā)火箭整箭去任務化，為連續(xù)圓滿完成高強密度發(fā)射攻堅戰(zhàn)、并在2018 年圓滿完成14 發(fā)運載火箭發(fā)射的新紀錄奠定了堅實的基礎。

五、潛心奉獻，優(yōu)秀隊伍積淀優(yōu)秀文化

回顧30 多年的研制歷程，“長征”三號甲系列型號隊伍通過銳意進取、不斷探索創(chuàng)新，積累了豐富的型號研制技術與管理經(jīng)驗，建立了具有鮮明特點的研制生產(chǎn)組織管理模式和流程，培養(yǎng)了一支自主創(chuàng)新、求真務實、能打硬仗的隊伍，形成了金牌火箭隊伍特有的氣質和“勇?lián)厝?、敢于?chuàng)新、務實高效、追求卓越”的優(yōu)秀型號文化。

優(yōu)秀的隊伍積淀優(yōu)秀的文化，優(yōu)秀的文化同時又反哺、凝聚優(yōu)秀的隊伍。“長征”三號甲系列型號隊伍就是一支在進取中磨練、在磨練中成長、在成長中自強的優(yōu)秀隊伍，他們身上既傳承了長征精神的紅色基因，又承載著航天特色的藍色基因，既可以腳踏實地悉心鉆研“一次把事情做對”的精義，也可以勇于擔當托起蔚藍星空中國人的航天夢想。

回顧歷史，“長征”三號甲系列火箭自研制起至今33 年、自首飛起至今25 年，我們站在巨人的肩膀上，一路披荊斬棘、奮發(fā)圖強、不斷創(chuàng)新、砥礪前行，創(chuàng)造了中國最高產(chǎn)、最可靠、任務適應能力最強的金牌火箭；一路走來，我們建立了最務實高效的運載火箭生產(chǎn)發(fā)射組織管理體系，擁有最豐富的低溫運載火箭技術和經(jīng)驗儲備，用高質量、高可靠性的百次發(fā)射助力航天夢、強國夢，致敬祖國七十華章；展望未來，我們有充足的信心和百倍的勇氣，讓“長征”三號甲系列火箭在世界宇航領域中持續(xù)煥發(fā)絢麗多彩的生命之光！

未來已來，前路何懼，百次發(fā)射，征程才啟。

凡此過往，皆為序章，征途豪邁，邁步從常！