北斗專列—CZ-3A系列火箭發展回顧和未來展望

張亦樸，周天帥，劉立東，李 聃，胡 煒

(北京宇航系統工程研究所，北京 100076)

0 引言

2020年6月23日，長征三號乙遙六十八火箭在西昌衛星發射中心成功發射了北斗工程第55顆全球導航衛星，即北斗三號最后一顆衛星，標志著我國全球衛星導航定位系統的建成。

我國衛星導航工程按照“三步走”的發展路線，經過了北斗一號、北斗二號、北斗三號工程共3期的研制工作，最終建成了北斗三號全球衛星導航定位系統。三期北斗工程的所有衛星，均由CZ-3A系列運載火箭進行發射，包括北斗一號衛星4次發射，北斗二號衛星18次發射，北斗三號衛星22次發射，共計44箭、59星，發射任務均取得了圓滿成功，北斗工程發射任務的成功率達到100%。

CZ-3A系列火箭基本型共有3款火箭，如圖1所示。其中CZ-3B、CZ-3C是在CZ-3A火箭的基礎上分別捆綁了4枚助推器和2枚助推器，CZ-3B、CZ-3C火箭也有部分衍生構型[1-3]。我國分別使用了CZ-3A系列運載火箭的7個構型：CZ-3A、CZ-3B/G1、CZ-3B/G3、CZ-3B/YZ-1、CZ-3C、CZ-3C/G2、CZ-3C/YZ-1，完成了北斗衛星的全部發射任務。

圖1 CZ-3A系列火箭基本構型圖Fig.1 Configurations of LM-3A series launch vehicle

本文對CZ-3A系列運載火箭進行簡介，對北斗工程研制中的運載火箭技術發展進行系統梳理和總結，分析了北斗工程發射任務情況，并對未來的技術發展進行展望。

1 CZ-3A系列火箭簡介

CZ-3A系列火箭為三級液體中型運載火箭，三級發動機具備二次啟動能力，主要用于發射中軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛星、地球同步轉移軌道(Geostationary Transfer Orbit，GTO)衛星和深空探測等有效載荷。

CZ-3A系列研制中，按照“上改下捆、先改后捆、堅持三化、統籌發展”的總體方案，在CZ-2C火箭的基礎上，首先研制火箭氫氧三子級構成CZ-3A 火箭，作為火箭系列化的第一步，再以CZ-3A作為芯級，捆綁4枚或者2枚助推器，形成CZ-3B 和CZ-3C 火箭。

1986年2月，中國新一代通信衛星工程正式立項，CZ-3A作為工程配套的火箭也正式啟動研制工作，在充分繼承CZ-3火箭成熟技術的基礎上，突破了以大推力氫氧發動機、動調陀螺四軸平臺、冷氦加溫增壓和氫氣能源雙擺伺服機構4大關鍵技術為代表的上百項新技術項目，使我國運載火箭技術跨上一個新臺階；同時也使我國火箭GTO 運載能力達到了2 600 kg，提升了中國運載火箭在國際衛星發射市場上的競爭力。1994年2月8日，CZ-3A火箭首飛發射實踐四號衛星和模擬星獲得圓滿成功；CZ-3A火箭主要任務包括DFH-3平臺通信衛星、北斗一號衛星、北斗二號IGSO軌道衛星、嫦娥一號探測器、風云二號衛星等。2007年10月24日，CZ-3A火箭發射中國首個月球探測器嫦娥一號圓滿成功,共計發射12顆北斗衛星。2007年6月15日，CZ-3A 火箭被中國航天科技集團公司授予“金牌火箭”稱號，27次發射全部圓滿成功。

以CZ-3A火箭為基礎，上改下捆，研制了CZ-3B 火箭，經過多年改進，逐步發展出CZ-3B/G1～G5共5個構型。盡管在1996年2月15日首飛發射國際708衛星失敗，但完成全面的質量整頓和徹底歸零后，CZ-3B火箭鳳凰涅槃，浴火重生，圓滿完成了以馬部海通信衛星、亞太二號R通信衛星、中衛一號通信衛星、鑫諾一號、亞太6號通信衛星等為代表的多項國外商業衛星發射，真正走出國門，在國際商業發射市場中占據了一席之地。CZ-3B火箭及其各種改進構型是CZ-3A系列火箭的主力火箭，主要發射高軌通信衛星、北斗二號的MEO軌道衛星、北斗三號衛星和風云四號氣象衛星等。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，開展月面原位探測與自動巡視探測奠定了堅實基礎。2018年12月8日，CZ-3B火箭將嫦娥四號探測器送入太空，實現了人類首次月背軟著陸。截止到2020年10月，CZ-3B火箭共發射70次。

依托于我國第一代中繼衛星工程，研制了配置2枚助推器的CZ-3C火箭。2008年4月25日，CZ-3C火箭首飛發射天鏈一號01星圓滿成功，標志著中國突破了非全對稱火箭設計技術，中國高軌任務運載能力分布更加合理，實現了CZ-3A 系列火箭真正的系列化、組合化。CZ-3C火箭標準地球同步轉移軌道發射能力達到3 900 kg。截止到2020年10月，CZ-3C火箭共發射17次，全部獲得圓滿成功。CZ-3A系列火箭現役構型如圖2所示，各構型運載能力和發射次數如表1所示。

圖2 CZ-3A系列火箭現役構型圖Fig.2 Configuration of available LM-3A series launch vehicle

CZ-3A、CZ-3B和CZ-3C火箭的起飛質量分別為243,456和366 t，總長度分別約為52.5,56.5,56.3 m。助推器直徑2.25 m，一、二子級直徑3.35 m，三子級直徑3 m。有效載荷整流罩柱段直徑分別為3.35,4.2,4.0 m。火箭助推器、一、二子級以N2O4/UDMH為推進劑，三級以低溫LOX/LH2為推進劑。

2 北斗一號工程期間的技術發展

1994年，經過充分論證，北斗一號工程立項，為雙星有源定位的試驗系統。北斗一號衛星采用東方紅三號平臺，衛星質量約為2 300 kg，需要運載火箭送入GTO軌道。當時國內運載火箭具備高軌發射能力的僅有CZ-3、CZ-3A，CZ-3火箭的GTO軌道運載能力只有1 400 kg，無法滿足任務要求，CZ-3A火箭成為了唯一的選擇。

1994年首飛后，CZ-3A火箭又完成了3次東方紅三號平臺通信衛星的發射后，從遙五火箭開始，踏上了北斗衛星發射的征程。

2000年的CZ-3A遙五火箭、遙六火箭，2003年的遙七火箭和2007年的遙十二火箭，成功發射了4顆北斗一號衛星。從遙五火箭開始，CZ-3A火箭開始進行速率陀螺冗余，踏出了控制系統冗余的第一步；遙測系統改為S波段2 Mbps傳輸狀態，數據傳輸容量增加到以前的3倍，極大地提升了數據的獲取能力。遙七火箭開始搭載激光慣組，為之后平臺/慣組主從冗余開展飛行驗證，增加了全箭出廠測試，取消技術區的分系統和總檢查測試，大幅優化發射場工作流程；到遙十二火箭發射北斗一號04星時，CZ-3A火箭已成長為控制系統系統級冗余、遙測系統為S波段2 Mbps狀態，發射場工作周期從約50 d優化為約30 d的可靠性高、數據獲取能力強、發射場工作周期短的低溫高軌運載火箭，這也為后續CZ-3A系列火箭成為我國“北斗專列”奠定了堅實的基礎。

3 北斗二號工程期間的技術發展

北斗二號為具有中國特色的區域衛星導航系統，分別運行于地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)、傾斜地球同步軌道(Inclin-ed Geosynchronous Orbit，IGSO)和中軌道(MEO)，需要用14枚火箭將16顆衛星送入3種不同的轉移軌道。從2007年4月CZ-3A遙十三火箭發射北斗二號試驗星開始，CZ-3A系列火箭又進入了北斗二號衛星的發射征程中，這次發射的是CZ-3A系列火箭的全家族。

3.1 CZ-3A火箭

CZ-3A 遙十三火箭發射北斗二號試驗星時，實現了8個第一次，完美地賦予了火箭新的意義，即第一次采用遠距離測試發射，第一次使用西昌衛星發射中心三號工位，第一次采用起飛滾轉定向，第一次預置全年發射軌道射前進行選擇，第一次采用雙向風補償，第一次三級發動機一次工作，第一次東南射向，第一次使用新的落區。

1)采用全新的東南射向進行軌道設計。研究規劃了新射向下火箭飛行航跡和各子級殘骸落區，相對以往，減少了一個陸上落區，將整流罩和二子級的落區均設計在海上，從而減輕了陸上落區安全保障的困難。新東南射向軌道設計方案既滿足了工程對火箭運載能力的需求，也保證了工程對IGSO/MEO衛星部署的需要，再結合東射向發射GTO軌道設計技術，從而突破了實現不同軌道面星座組網衛星發射難題，為北斗二號衛星成功組網打下了堅實的基礎。

2)首次突破了雙向風補償技術。通過引入三檔典型設計風場，改變火箭一級飛行段的俯仰程序角和偏航程序角以降低高空風引起的攻角和側滑角方式，有效減小了火箭飛行中的氣動載荷。雙向風補償技術既保證了火箭安全可靠飛行，又提高了火箭按時發射的概率。

3)率先在長征系列運載火箭上采用起飛滾轉定向技術。地面固定射向瞄準、起飛滾轉技術有效解決原地面瞄準方向與射向不一致問題，減少了地面瞄準間的改造，充分利用了發射場現有資源，通過合理可靠的軌道滾動程序設計，實現了火箭多射向發射能力，滿足了北斗二號工程對火箭組網任務不同射向的需求。

起飛滾轉定向首先采用現有的光學瞄準方法及流程，對慣性平臺按地面可用瞄準方位進行對準，然后對慣性平臺滾動通道進行加矩，使得平臺對實際的射面進行對準，待火箭飛出發射塔架后滾轉箭體，使火箭的Ⅰ-Ⅲ象限線調整到要求的射面內，即實現箭體對空間方位的對準。火箭完成滾轉定向后狀態與通用的狀態一致，能充分繼承成熟的設計方式和設計成果，保證了發射和飛行可靠性。

4)首次采用三級一次工作入軌方案。將入軌航程由約8 000 km減小約4 000 km，避免了采用三級兩次工作模式下，星箭分離點位于澳大利亞中部上空，需要在澳大利亞領海外布設測量船或租用國外測量站的復雜、難以實現的測控模式。采用一次入軌方案，僅需一艘測量船即可完成入軌段的測控任務，大大簡化了測控方案，提高了測控可實現性和經濟性，為工程順利實施奠定了基礎。

CZ-3A火箭執行了MEO試驗星和IGSO軌道衛星的發射任務。

3.2 CZ-3B火箭

北斗二號衛星質量為2 t級，IGSO軌道衛星使用CZ-3A火箭發射即可滿足工程任務要求。對于處于同一軌道面的MEO衛星使用CZ-3A火箭一箭一星發射有些浪費，使用CZ-3B火箭一箭雙星發射就成了必然的選擇。

基于任務要求，將CZ-3B之前采用的直徑4 m整流罩、分體吊裝狀態，改為3.7 m整流罩、整體吊裝的一箭雙星狀態，命名為CZ-3B/G1火箭，突破了大型衛星平臺串聯雙星外支撐發射技術、低溫末級整體吊儀器艙設計技術、雙星聯合操作流程優化技術、串聯雙星分離設計技術等多項關鍵技術，填補了我國高軌道一箭雙星發射火箭系列型譜的空白。

首次采用雙星串聯外支撐技術，研制了整體吊整流罩，優化了火箭外形結構，降低了飛行氣動載荷，提高了火箭運載能力，有利于分離系統設計，降低了發射場操作的復雜性，提高了產品組合化程度。CZ-3B/G1火箭外支撐串聯雙星發射結構如圖3所示。

圖3 CZ-3B/G1火箭外支撐串聯雙星發射結構Fig.3 Structure of tandem duo-satellites of LM-3B/G1 launch vehicle

突破了儀器艙的輕質化和低溫防護設計技術，創新研制了基于K型梁結構的整體吊儀器艙，實現了低溫環境下儀器艙的優化布局和儀器艙內空間的合理有效利用。創新提出了基于大型衛星平臺的串聯雙星安全分離設計技術，解決了雙星分離和遠場安全的技術難題，采用新的遠場分析技術。

CZ-3B火箭執行了北斗二號MEO軌道衛星的發射任務。

3.3 CZ-3C火箭

北斗二號衛星工程發射GTO軌道衛星采用的運載火箭為CZ-3C火箭，有別于以往GTO軌道發射采用的火箭，它是我國第一枚非軸對稱構型大型液體運載火箭。俯仰、偏航兩個通道氣動特性完全不同，姿態控制系統重新進行了設計，也是我國首型使用兩個助推器的火箭。

CZ-3C火箭執行了北斗二號GEO軌道衛星的發射任務。

3.4 低溫運載火箭分布式遠距離測試發射控制技術

2007年，依托于北斗二號工程研制的CZ-3A系列火箭分布式遠距離測試發射控制系統首次使用，適應低溫火箭的特點，采用標準千兆以太網技術，通過架構冗余、設備冗余、線路冗余、端口冗余等設計，實現高可靠、低延時的數據傳輸[4]。通過冗余網絡對分系統進行管理和控制，達到集中控制、統一管理、信息資源共享的一體化目標，實現了全系統、全參數實時處理、發布、多點實時瀏覽監測、具備自動化指揮測試、無線信號光纖傳輸、無紙化網上判讀、網絡系統冗余設計和安全控制等功能，奠定了我國低溫運載火箭遠距離測發控系統的基礎。

3.5 其他技術發展

在北斗二號工程任務中，CZ-3A系列火箭開始應用雙慣組+GNSS組合導航技術，大大提高了火箭的飛行可靠性和入軌精度，在我國運載火箭率先采用三模衛星導航接收機，同時支持GPS、GLONASS和北斗二號衛星導航系統，GTO軌道入軌精度的半長軸偏差由幾十千米級提升到10千米級。

由于遠洋測控船數量和布局的限制，發射GEO衛星的運載火箭在飛行時總存在一定的無線傳輸盲區，無法實時得到該時段火箭運行的信息。利用中繼衛星系統克服了這一缺陷，可實時獲得火箭全部飛行弧段的遙測數據。在北斗二號工程任務中，CZ-3A系列在我國運載火箭中率先使用了天基測量技術，遙測數據通過中繼衛星實時傳輸，極大降低了測控船的壓力，奠定了我國運載火箭應用天基測控技術的基礎[5]，有效保證了北斗工程高密度發射任務的順利實施。

4 北斗三號工程期間的技術發展

北斗三號系統是全球衛星導航系統，組網階段通過CZ-3B/YZ-1火箭的12次發射將24顆MEO衛星直接發射入軌，通過CZ-3B/G3火箭的6次發射將3顆GEO衛星、3顆IGSO衛星一箭一星發射至GTO軌道。

依托于北斗三號衛星工程建設，研制了我國第一型可搭配基礎級火箭將中高軌衛星直接發射入軌的通用上面級，在2015年發射了北斗三號IGSO軌道試驗星，推動了直接入軌導航衛星平臺的技術發展，使我國具備了星座快速組網的能力。

4.1 CZ-3B/YZ-1、CZ-3C/YZ-1火箭

根據北斗三號工程MEO衛星發射需求，研制了CZ-3B/YZ-1火箭和CZ-3C/YZ-1火箭，由基礎級火箭和上面級組成。利用CZ-3B火箭將YZ-1上面級和兩顆衛星一起送入MTO軌道，或者CZ-3C火箭將YZ-1上面級和一顆衛星一起送入MTO軌道，YZ-1上面級經過長時間滑行后在遠地點附近變軌將衛星直接送入MEO軌道[6]。并聯雙星發射結構如圖4所示。

圖4 CZ-3B/YZ-1并聯雙星發射結構Fig.4 Structure of parallel duo-satellites of LM-3B/YZ-1 launch vehicle

4.2 YZ-1上面級

YZ-1上面級以滿足與3.35 m系列運載火箭組合一箭雙星直接入軌發射北斗三號MEO衛星任務為目標,兼顧IGSO直接入軌任務為目標，可實現多次起動，能夠直接將衛星送入MEO、IGSO等中高軌道，具備快速軌道機動、多星發射能力的上面級，是我國首個能夠直接入軌發射中高軌航天器的通用上面級。

YZ-1上面級任務性質介于運載器與航天器之間，兼具運載器與航天器的技術特點；工作時間長于運載火箭的幾十分鐘，增長至6.5 h，經歷與航天器相近的空間環境；以自主導航為主，地面測控方式為輔；發動機可多次起動，任務適應性強；采用大推力發動機，軌道機動能力強；具備獨立的電氣系統，使用靈活性、通用性強。

YZ-1上面級由箭體結構、動力系統、控制系統、測量系統、熱控系統、衛星供電系統組成。采用直筒段儀器艙儀器內裝結構方案，控制系統采用1553B總線、單機表(板)級冗余方案實現上面級飛行過程中的控制；采用統一供配電方案為控制、測量、熱控系統供電；測量系統采用非相干測量體制、Turbo編碼實現遠距離、高碼率的測量和測軌功能，具備上行指令和數據進行彈道重規劃能力[7]；采用以被動熱控為主、主動電加熱熱控為輔實現飛行過程中的熱環境控制。

目前，YZ-1通用上面級還與CZ-2C火箭搭配執行SSO軌道衛星任務，有效提高了CZ-2C火箭的運載能力。后續還將與CZ-2F、CZ-7火箭等搭配，可以為用戶提供不同軌道高度、不同入軌質量的發射服務。

4.3 其他技術發展

依托于我國北斗導航衛星特有的短報文功能，開展了助推器殘骸落點精準定位技術研究，將之前短則幾小時、長則大半月的殘骸定位工作時間縮短到30 min之內，獲得了溫度、姿態、過載和圖像等大量數據，為后續傘降落區控制奠定了堅實的基礎。

在北斗三號工程的建設過程中，CZ-3A系列火箭開展了統一構型和去任務化的工作。對CZ-3B和CZ-3C火箭各種構型進行了統一，大幅提高了產品生產效率、技術狀態控制和產品過程質量控制能力，實現了運載火箭真正意義的組批投產。“去任務化”將發次代號與具體任務載荷名稱脫鉤，實現了運載火箭部段級總裝、整箭級測試、任務級替換，解決了以往發射任務推遲后，同時存在的已制品長期貯存和新產品進度緊張的問題[8-9]。

5 北斗工程發射任務分析

北斗工程對運載火箭提出了一型火箭多軌道面組網發射的要求，需要CZ-3A系列火箭具備高、中軌道高度，東射向、東南射向多方向的發射能力。為確保衛星組網速度，降低工程建設成本，在北斗二號工程任務期間研制了CZ-3B/G1構型火箭，突破了外支撐串聯雙星發射技術；在北斗三號工程任務期間研制了CZ-3B/YZ-1構型火箭，突破了并聯雙星中軌道MEO直接發射入軌技術。在火箭結構設計、分離技術、環境控制等方面取得了重大技術突破，對其他新型火箭的研制也有重要的借鑒意義。

CZ-3A系列火箭發射北斗衛星任務統計情況如表2所示，通過44發火箭完成了北斗全部三期工程的發射任務，發射成功率達到100%，經過定量評估，CZ-3A系列火箭的飛行可靠度超過了0.95(置信度0.7)，達到了國際先進水平。2000年1月—2020年7月，CZ-3A系列火箭共執行了104次發射任務，北斗工程發射任務占比超過了40%。發射北斗工程任務分年統計情況如圖5所示，在型號高密度發射任務期間，北斗工程發射任務年度占比一般會達到30%～40%，其中2018年超過了70%。

表2 CZ-3A系列火箭發射北斗衛星任務統計

圖5 CZ-3A系列火箭發射北斗工程任務分年統計Fig.5 Annual launches of LM-3A series for Beidou mission

6 未來展望

CZ-3A系列火箭為20世紀80年代啟動研制的火箭，通過持續不斷的技術創新和可靠性成果的工程應用，成為國內首個實現系列化、通用化、組合化的火箭，綜合技術性能已經達到了國內和國際先進的水平。

后續火箭將繼續提高可靠性、安全性和任務的適應能力，主要包括：

(1)提高可靠性和安全性

受限于20世紀80年代的技術水平，CZ-3A系列火箭大量采用了非鈍感火工品，雖然經過了上百次的飛行驗證，但在可靠性安全性上還有提升的空間。后續將換用新一代火箭研制的鈍感火工品，提高運輸、測試、發射飛行過程中的抗電磁干擾能力；持續推進助推器傘降落區控制技術的研制，設置合理可行的安全目標落點，落區面積減至原來的10%；持續開展發射場流程優化，在高密度發射的情況下，繼續對發射場工作流程進行優化，提高發射流程自動化程度，降低射前前端人員總工時[10]。

(2)提高任務的適應能力

依托于北斗三號工程，研制了CZ-3B/YZ-1和CZ-3C/YZ-1兩型四級火箭，使得火箭具備了中高軌道直接發射入軌的能力，進一步拓寬了火箭的任務適應能力，未來將在中高軌科學探測、深空探測、軌道轉移、空間碎片清理和新技術驗證等領域發揮重要作用。北斗工程高密度發射任務下技術狀態、工藝狀態固化，產品生產的一致性較好，為滿足衛星用戶的需求，對電氣系統進行改進，運載能力進一步挖潛，實現小幅提升。持續開展火箭去任務化工作，在助推器、一二級產品統一構型的基礎上，實現全透波整流罩和儀器艙的構型統一。開展基于慣組信息的主動減載技術、主動段全導引控制技術和迭代制導技術研究，針對主發動機、末修和姿控發動機典型的故障工況，開展故障檢測和發射軌道重構技術研究，提高飛行故障狀態下的任務適應能力。推廣應用無線傳感系統，實現數據獲取能力的快速配置。