長征二號丙系列運載火箭構型演變與技術創新

楊建民，崔照云，李 君

（1.中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2.北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引言

1978年1月，長征二號（CZ-2）火箭成功完成第4 顆返回式衛星發射之后，返回式衛星技術升級，衛星質量增加到2 500 kg。為滿足任務需求，在長征二號火箭的基礎上，進行運載能力提升和可靠性增長等全方位的升級換代，命名為長征二號丙（CZ-2C）運載火箭，長征二號丙火箭于1982 年9 月9日首飛并取得圓滿成功。其后以長征二號丙火箭為基礎，先后研制了長征二號捆、長征三號、長征三號甲系列、長征二號F 等火箭。1987 年8 月5 日，長征二號丙火箭圓滿完成第9 顆返回式衛星的發射任務，成功搭載法國馬特拉宇航公司研制的微重力試驗裝置，這是中國長征系列火箭首次提供對外搭載發射服務，打開了中國運載火箭服務世界的大門。1998 年底，長征二號丙火箭以17 次發射圓滿成功的成績，被授予中國第一個“金牌火箭”稱號。

1 長征二號丙火箭構型

1982年首飛成功以來，圍繞任務需求，先后研制了CZ-2C/FP、CZ-2C/SM、CZ-2C/SMA和CZ-2C/YZ-1S四型上面級，研制了3350M、3350L 和4200C 三型整流罩［1］。

CZ-2C/FP 構型火箭是在兩級狀態基本型基礎上，增加1 臺百公斤級裝藥量的三軸穩定控制固體上面級，其由固體變軌發動機、姿控發動機、結構、控制和測量等系統組成，是中國首個固態上面級火箭。700 km SSO 運載能力從兩級狀態的960 kg 提高到1 900 kg。1997—1999 年，該構型以一箭雙星并聯旋轉分離形式，連續成功發射2顆模擬星及12顆美國銥衛星［2-5］。

CZ-2C/SM 構型是在兩級狀態基本型基礎上，增加1臺噸級裝藥量的大推力固體上面級SM，SM固體上面級發動機工作段采用自旋穩定方式。GTO運載能力為1 300 kg。2003年和2004年，先后成功發射探測一號、探測二號衛星。

CZ-2C/SMA 上面級是在FP 上面級基礎上改進研制而成，為中國首型內支撐串聯結構方案，電氣系統也進行了全面升級。2008 年9 月、2010 年10 月和2018 年7 月，先后3 次以一箭雙星方式成功發射HJ-1A/1B 衛星、實踐九號A/B 衛星和巴基斯坦遙感衛星PRSS-1/PAKTES-1A。

YZ-1 上面級在與CZ-3B/3C 火箭組合完成多組MEO和IGSO北斗衛星發射之后，針對LEO的任務特點進行適應性調整而形成YZ-1S上面級，與CZ-2C火箭組合形成的CZ-2C/YZ-1S 構型火箭700 km SSO 軌道運載能力為2 500 kg、GTO 軌道運載能力為1 000 kg，具備一箭多星發射及星座部署能力。CZ-2C/YZ-1S構型具有任務適應能力強、運載能力覆蓋面廣、單機產品化程度高、系統可靠性高的特點，運載能力完全覆蓋CZ-2C/SMA 構型、基本覆蓋CZ-2C/SM 構型。當前CZ-2C 系列火箭主要提供CZ-2C 兩級狀態基本型和CZ-2C/YZ-1S 構型。CZ-2C系列火箭各型上面級見圖1。

圖1 CZ-2C系列火箭各型上面級Fig.1 LM 2C upper stages

CZ-2C系列火箭在內陸發射場均執行過多次發射任務，與發射場及測控系統的接口成熟且穩定。

CZ-2C 系列火箭先后研制了3350M、3350L 和4200C 三型整流罩，以提供不同的可用包絡空間。3350L型整流罩是在3350M型整流罩的基礎上，柱段增加一個2 361 mm 高度的模塊化框段，均為玻璃鋼蒙皮材料結構方案，同時增加2 組縱向分離爆炸螺栓。4200C整流罩則是組合CZ-3B火箭整流罩的前錐段、柱段和CZ-2F火箭整流罩倒錐段研制而成，柱段5 400 mm高度匹配當前整流罩鐵路運輸包裝箱的最大可用長度狀態。還研制了中國首型局部突出的異型整流罩，為特殊衛星量身定做精準的局部擴張空間。CZ-2C 系列火箭各構型首飛時間和運載能力見表1，整流罩構型見圖2，CZ-2C 構型運載能力見圖3，CZ-2C/YZ-1S構型運載能力見圖4。

表1 CZ-2C系列火箭各構型Tab.1 LM-2C configurations

圖2 CZ-2C系列火箭整流罩構型（單位: mm）Fig.2 LM-2C fairings diagram

圖3 CZ-2C構型運載能力Fig.3 The capacity of LM-2C basic configuration

圖4 CZ-2C/YZ-1S構型運載能力Fig.4 The capacity of LM-2C/YZ-1S configuration

2 長征二號丙火箭技術創新

2.1 系統和總體持續改進提升可靠性

隨著理論認識的提升和工程實踐的深化，系統和總體設計圍繞可靠性增長持續改進優化。發動機系統多個關鍵部件制造工藝從焊接升級為一體化成型，產品質量均勻性和生產效率得到提升。密封結構及密封材料的持續改進使火箭已具有加注推進劑之后停放60 天的能力。控制系統在2013 年從氣浮平臺過渡到雙七表激光捷聯慣性組合，在2019 年則升級為單十表激光捷聯慣性組合，故障適應性從單點故障到一度冗余、兩度冗余，單機重量及復雜性均大幅下降。隨著準實時雙向高空風補償技術、主動減載技術和一級導引控制技術的應用，火箭具備了80 m/s風速發射能力，發射概率和飛行安全性均得到提升。圖5為發動機制造工藝升級對比［6-7］。

圖5 發動機制造工藝升級對比Fig.5 Comparison of engine manufacturing process upgrades

2.2 基于數據挖掘提升運載能力

除研制不同狀態的上面級以提升運載能力外，長征二號丙兩級狀態基本型火箭還從多個維度持續改進，不斷提升運載能力及任務適應性以匹配持續增長的發射任務需求。

對歷史飛行數據開展橫向一致性比對及設計狀態匹配性分析，提取發動機比沖偏差、流量偏差的階段性系統偏移特征。辨識發動機推力線偏斜和全箭質心偏差等影響運載能力的主要原始數據偏差的分布規律及變化歷程。結果表明發動機流量及混合比、比沖等參數偏差呈現散布平穩、均值隨時域變化的階段性特征，發動機推力線偏斜、全箭質心橫移等參數偏差遠低于設計邊界。一子級原40%的耗盡關機概率降低到5%以內，一子級落區范圍縮小50%，且二級初始軌道偏差亦大幅縮小，綜合二級自身飛行段主要偏差的優化，原用于保障各偏差狀態的推進劑安全量需求也顯著縮小，釋放運載潛力超過150 kg。過程中開發了天地一致性仿真分析軟件、大子樣數據快速分析工具及數據管理平臺［8］。

長征二號丙火箭先后采用彈道準實時雙向高空風補償技術、基于慣組加速度計的主動減載控制技術，實現了4200C 整流罩構型火箭SSO 軌道發射任務在60 m/s 高空風狀況下的氣動載荷不超過2 200 Pa·rad，因此大直徑整流罩狀態全箭結構不需加強?；诠ソ恰[角匹配的精細化載荷計算技術，實現了全箭分布載荷的精確預示，貯箱前后短殼等歷史結構薄弱環節的剩余強度系數從不足0.98提升到1.05以上。結合機械銑工藝，迭代優化結構設計，實現末子級結構減重超過150 kg。

2023年1月13日，多項技術成果優化組合應用之下，長征二號丙火箭將4 305 kg的亞太6E衛星精確送入200 km×500 km、28.5°軌道，運載能力提升超過300 kg。圖6為一級飛行段發動機擺角統計。

圖6 一級飛行段發動機擺角統計Fig.6 The engine angles statistics of 1st stage flights

2.3 攻克多星快速分離技術

長征二號丙火箭通過組合應用成熟的反推火箭和分離彈簧，實現分離速度差的精確控制，在3 s 內完成串聯雙星和適配器的分離，可確保近場、遠場安全。該技術已經過多次飛行考核驗證，避免了配套輔助動力系統導致的運載能力下降、測控弧段損失和增加硬件環節導致的系統可靠性降低。精細化載荷分布計算與分時放行條件見圖7。串聯、并聯衛星快速分離見圖8。

圖7 精細化載荷分布計算與分時放行條件Fig.7 The refined load distribution calculation and time-based release conditions

續圖7

圖8 串聯、并聯衛星快速分離（TK3為游機關機時序）Fig.8 The rapid separation of series-connected and parallelconnected satellites (TK3 is the vernier engine turning off time）

2.4 搭載驗證子級再入安全控制技術

2019年7月，中國首個基于柵格舵的火箭一子級再入落點精確控制技術在長征二號丙火箭發射任務中成功應用，一級二級分離的柵格舵展開與鎖定、再入預定高度后的準確起控與姿態穩定、航程控制等設計流程動作全部有序完成，最終一子級殘骸落點與設定落點偏差不超過2 km。寬馬赫數復雜包線的柵格舵再入子級氣動設計與精確預示技術、高動態強氣動耦合條件下的子級再入控制技術等多項關鍵技術得到突破與驗證。一子級再入精確控制技術搭載飛行見圖9。

圖9 一子級再入精確控制技術搭載飛行Fig.9 The fine control technology of 1st stage reentry on board test

長征二號丙火箭正開展整流罩分離體再入控制技術攻關，先后在不同任務中搭載測量整流罩再入過程中的彈道及姿態、力熱環境等關鍵參數，基本掌握整流罩分離后再入過程的動力學特征，完成引導傘、減速傘及滑翔翼傘的研制，突破和驗證了減速傘超聲速條件下的開傘技術，歷史性地實現了整流罩再入過程中跨聲速段由姿態高速翻轉轉為平穩飛行。至今為止，各項關鍵技術已被全面突破并分步通過考核驗證，即將進入全系統集成飛行驗證階段［9-10］。

除直接進行再入體主動控制外，長征二號丙火箭先后完成一子級導引控制技術和整流罩射程分離技術的研究與應用。飛行數據表明，采取一級導引控制技術之后，一二級分離點的速度偏差降低到2 m/s 內，位置偏差降到200 m內，對應的殘骸落點主動段偏差為極小值。當前一子級及整流罩落區范圍已縮小50%以上，提升了落區安全性，提升了任務落區的可選擇性，也大幅減少了任務過程中落區人口疏散工作的壓力和難度。整流罩再入精確控制技術示意見圖10。

圖10 整流罩再入精確控制技術示意Fig.10 The fine control technology of fairing reentry

為提高末級推進劑燃燒排放的離軌精準性，長征二號丙火箭將原有的定時排放改為在線基于姿態信息決策的半主動控制，實現利用剩余推進劑燃燒排放的精確減速離軌目標，大幅縮短了末級再入時間。

2.5 模塊化搭載發射適配器

針對LEO軌道搭載發射需求強烈的狀況，長征二號丙火箭在實踐過程中先后研制了獨立支撐結構、平臺化結構、側掛結構等多種形式的微納星搭載適配器，并提供與主任務控制系統解耦的分離指令、分離驅動等不同狀態的電氣接口，支撐衛星便捷設計。

2.6 新技術搭載驗證平臺

長征二號丙火箭自身的高可靠性和強魯棒性，成為新技術、新方案、新材料、新工藝的理想搭載驗證平臺，見圖11。先后成功搭載驗證了在線故障診斷與決策技術，新型無線溫度、無線振動、無線圖像技術，整流罩降噪技術和顆粒阻尼器降低頻振動技術。

圖11 新技術搭載驗證Fig.11 New technology deployment verification

3 總結與展望

自1982 年首飛圓滿成功以來，長征二號丙運載火箭在41年的歷程中持續推進技術創新和工程實踐，運載能力和可靠性穩步增長，當前運載系數約1.94%，飛行可靠性為98.9%，處于國內外中型火箭的領先水平。

憑借高成熟度、LEO軌道合適的運載能力和可選擇的整流罩包絡空間，長征二號丙運載火箭市場需求強勁。后續將圍繞結構精細化制造、電氣集成化持續提升長征二號丙火箭的能力和任務響應效率。長征二號丙火箭將持續提供可靠、便捷的飛行驗證平臺，助推新技術、新材料的技術攻關及飛行驗證。