長征三號甲系列運載火箭高適應性發展
——從總體與導航制導控制的視角

姜 杰

(中國運載火箭技術研究院，北京 100076)

0 引言

運載火箭能力是一個國家自主進入空間的重要標志，是開展航天活動的基礎。我國運載火箭的發展始于20世紀中期，經過50多年的發展，取得了舉世矚目的成就，具備了發射高、中、低不同地球軌道衛星和載人飛船以及深空探測器的能力。截至2022年12月29日，長征系列運載火箭共進行了458次發射，成功率超過96.5%。其中，長征三號甲系列(含CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C三型)運載火箭，作為我國現時期發射高軌道衛星的主力火箭，發射數量達132次，成功率超過98%。長征三號甲系列運載火箭是我國首個發射次數過百的單一系列運載火箭(2019年4月20日，CZ-3B運載火箭成功發射第44顆北斗導航衛星，這是長征三號甲系列運載火箭的第100次發射)，圓滿完成探月、北斗、通信和氣象等國家重點航天工程及國外商用發射任務，該系列運載火箭已成為我國發射軌道種類最多、適應能力最強、發射密度最高的火箭，極大促進了我國運載火箭產業化、商業化和國際化進程，提高了我國火箭在世界火箭中的地位。

1 CZ-3A系列運載火箭發展背景

1984年4月8日，長征三號(CZ-3)運載火箭成功發射地球同步軌道東方紅二號試驗通信衛星，使我國具備了高軌道衛星的發射能力。隨后，研制CZ-3A火箭、發射中國第一型實用通信衛星(“東方紅三號”)的任務如期而至。CZ-3A系列運載火箭的發展，既是我國實用衛星通信需求拉動的結果，也與當時中國航天醞釀打入國際發射市場以及國際發射市場出現的機遇有關。

2 CZ-3A系列運載火箭發展

2.1 基本能力發展

CZ-3A系列運載火箭能夠在20世紀90年代世界運載火箭中達到高軌道運載能力世界第三(CZ-3B火箭)，而且歷經30年還如此有生命力，令我們這個年齡的、當年加入這個團隊中的晚輩，對當年決策者的遠見、膽識和開創精神敬仰不已。

1)定位。 CZ-3A系列運載火箭是在CZ-3火箭成功后，我國研制的發射高軌道大型衛星的三級系列運載火箭。盡管CZ-3A火箭當時的首要任務是發射2.0 t重的東方紅三號通信衛星，但分析了國外運載火箭現狀和發展趨勢，將它定位于標準地球同步轉移軌道(GTO)2.5 t的中等運載能力檔次。以此為基礎，捆綁液體助推器，再形成兩個衍生型火箭，成為GTO運載能力為2.5 t、3.5 t、 5.0 t的系列運載火箭。這個定位奠定了CZ-3A系列運載火箭的生命力所在。

2)走出去。CZ-3A系列運載火箭的誕生源于國內與國外兩個市場的需求。可以設想，1986年CZ-3A火箭剛立項，還處在技術攻關研制階段，航天人就拿著它的衍生型CZ-3B、CZ-3C火箭的設計圖紙，去與美、歐航天大國和組織談判簽訂了4個衛星發射服務合同，并促使另兩個型號不到3年就實現了立項，全面開展了研制工作。這需要很大的勇氣，克服很大的困難！

3)敢于創新。做出了瞄準世界運載火箭技術前沿的選擇。如大推力氫氧發動機，創新發展了世界先進的螺旋管束高空大噴管技術，解決了三級大推力難點，不僅填補了我國在這一級別氫氧發動機的空白，而且20多年后又改進研制作為新一代大型運載火箭長征五號需要的發動機，很有生命力；采用對液氧貯箱增壓的冷氦加溫增壓系統，當時只有美國擁有這一技術，我國是世界上第二個自主研制成功的，僅此一項就提高火箭運載能力200 kg；動調陀螺四軸慣性平臺，突破了任意框架角下平臺啟動和穩定的難題，國內首次實現了俯仰、偏航、滾動均為大角度范圍的敏感輸出，提高了精度和適用性，又大幅減小了結構質量，取得了20年來我國在火箭慣性器件方面的重大突破；低溫氫氣高效能源雙擺伺服機構，攻克了高速旋轉下的干摩擦、自潤滑、高低溫度區交變工作的技術難關。這4項關鍵技術達到或接近當時世界同類先進水平。1994年CZ-3A火箭首飛成功，1997年CZ-3B火箭發射國際通信衛星成功，2008年CZ-3C火箭發射天鏈一號中繼衛星成功。后經進一步改進，CZ-3A系列運載火箭達到GTO 2.6 t、3.9 t和5.5 t的運載能力，標志著我國火箭進入世界高軌道大型衛星運載火箭的行列。

2.2 適應能力發展

2.2.1 實現了火箭自主發射各種軌道航天器的能力

一個國家進入空間能力的重要標志是火箭自主發射各種軌道，要求火箭具備三維大姿態飛行控制能力。

難點在于,火箭俯仰、偏航和滾動三通道姿態控制系統是一個非線性時變的多變量交連耦合系統；且多級火箭作為剛體運動、彈性振動和推進劑晃動的復合體，在空間復雜環境飛行時各種干擾嚴重制約了控制性能。

我們的研究解決了火箭多維非線性時變交連耦合系統的姿態控制問題。揭示了火箭三維大姿態飛行控制機理，建立了火箭姿態交連解耦控制方法，成功設計出火箭三維大姿態飛行控制系統。在工程上實現了火箭從單一軌道面進入三維空間機動飛行控制“質”的變化。

CZ-3A系列運載火箭三維大姿態飛行控制技術的突破，為我國火箭自主發射各種軌道航天器做出重要貢獻，成果推廣于多型長征火箭。

2.2.2 提升了火箭控制系統的可靠性

控制系統可靠性制約著我國運載火箭的產業化進程(早期統計表明，控制系統故障數占火箭的40%以上)。1996年，CZ-3B火箭首飛時,慣性平臺一個器件失效導致發射失敗。所以實現控制系統系統級冗余至關重要。

難點在于，影響火箭飛行成敗的高危害度單點失效環節，不可能依賴提升器件可靠性來解決，而受火箭結構、質量及成本等限制，傳統的設備冗余方法也難以實施。我們的研究突破了冗余備份思想和設備功能界限，自主創新提出以火箭控制信息冗余為核心的控制系統冗余方法。提出了基于火箭異位信息冗余構架的速率陀螺冗余方法，提出了基于火箭異構信息冗余構架的慣性平臺--激光慣組主從冗余方法，提出了基于三模箭載計算機冗余管理的系統級冗余方法。在此基礎上創建了控制系統最大限度利用火箭測量信息的信息冗余構架，實現了多源信息融合、實時故障診斷和系統在線重構于一體的控制系統系統級冗余。

運用上述技術消除了CZ-3A系列運載火箭控制系統全部高危害度單點失效環節，開創了國內火箭低成本實現高可靠性的途徑，大幅提升了火箭飛行可靠性，對該系列運載火箭2000年以來的高發射成功率，起到了至關重要的作用，有力保證了探月、北斗、通信、氣象等重大航天工程及國際商業發射計劃的實施。上述技術成果已在多型長征火箭中推廣應用。

2.2.3 實現了中高軌大型星座快速組網發射技術

北斗導航衛星工程是我國邁出多軌道面、大規模復雜構型星座部署的第一步，要求快速組網發射,且必須突破變軌道面、高空風補償、一箭雙星和高密度發射技術。

我們的研究解決了快速發射組網方案的關鍵技術。提出并實現了火箭變射向控制方法，提出并實現了高空風補償姿態控制減載技術，提出并實現了高軌道一箭雙星發射技術。2010—2012年CZ-3A系列運載火箭以高密度發射實現北斗二號地球靜止同步、地球傾斜同步和地球中圓軌道3種軌道14星組網,實現了大型星座組網發射的技術跨越。

2.3 高適應能力發展

2.3.1 突破了直接地月轉移軌道發射技術

火箭直接地月轉移軌道發射作為月球探測器奔月的最小能量軌道，是探月工程實現“落月”“返回”兩大目標必須突破的關鍵技術，也是未來載人登月和其他深空探測工程必須采取的途徑。

難點在于，火箭發射探測器直接進入地月轉移軌道的時機，從發射衛星進入地球轉移軌道的一個軌道面變為由6個軌道根數約束的一個時空點，任何超差都將使探測器錯過與月球交會。為降低工程風險，嫦娥一號任務為實現我國首次“繞月”目標，采用成熟的火箭地球轉移軌道發射，由嫦娥一號探測器經7天調相軌道變軌飛行再進入地月轉移軌道；嫦娥二號任務的重要目標是實現直接地月轉移軌道發射，為探月工程實現“落月”“返回”奠定基礎。

我們的研究解決了火箭直接地月轉移軌道發射技術，建立了地月轉移軌道設計方法，實現了火箭地月轉移軌道設計技術，建立了火箭組合導航方法，實現了火箭遠地點約38萬千米的地月轉移軌道高精度制導控制，實現了連續3天火箭“多窗口”地月轉移軌道和“零窗口”發射技術，保證了探月工程實施的可靠性要求。

CZ-3C、CZ-3B火箭分別于2010年10月1日、2013年12月2日、2014年10月24日、2018年12月8日采用直接地月轉移軌道發射嫦娥二號、嫦娥三號、探月三期嫦娥五號再入返回試驗器、嫦娥四號探測器，實現了準時發射、準確入軌的工程任務要求，保障了嫦娥三號、嫦娥四號成功落月以及嫦娥五號返回的關鍵技術驗證。探月工程鑒定委員會評價：“掌握了探月‘落月’‘返回’和載人登月必須突破的軌道設計等關鍵技術，軌道設計、發射技術和入軌精度達到國際先進水平。”

探月工程突破了我國運載火箭直接地月轉移軌道發射技術，實現了運載火箭發射探測器直接進入星際轉移軌道的技術跨越，為我國未來深空探測奠定了技術基礎。

2.3.2 突破了高軌道衛星直接入軌發射技術

火箭發射高軌道衛星直接進入工作軌道屬于國家快速進入空間能力，可實現航天器快速部署，以及衛星平臺小型化發展，降低航天發射成本。北斗全球導航系統30余顆衛星星座組網，必須具備這種能力。

火箭發射高軌道衛星直接入軌，依靠火箭基礎級+上面級組合發射方式實現。上面級兼具運載器與航天器的技術特性，相對火箭飛行時間數十分鐘、飛行高度幾百千米，上面級要在復雜高層空間環境飛行數小時、幾萬千米，必須解決上面級長時間飛行“自主、準確、可靠”三大難題。

我們的研究提出并實現了組合導航新體制，創新了自適應制導方式，攻克了上面級數小時、數萬千米全程自主高精度導航、制導與控制技術，突破了適應高層空間輻射和微重力環境等一系列關鍵技術，提升了控制系統高可靠水平，研制出國內首個火箭上面級遠征一號。

2015年，1枚長征三號乙/遠征一號(一箭雙星)、1枚長征三號丙/遠征一號及1枚長征三號乙火箭成功發射4顆北斗全球衛星導航系統試驗衛星，實現了我國運載火箭發射高軌衛星直接入軌的技術跨越，拓展了火箭發展新領域；2017—2019年，長征三號乙/遠征一號(一箭雙星方式)共12枚火箭發射北斗三號全球衛星導航系統24顆組網衛星直接入軌，成功完成了北斗全球導航系統中軌道衛星的組網發射。

3 結束語

長征三號甲系列運載火箭，在長征三號火箭解決我國發射高軌道衛星有無問題的基礎上，歷經基本能力、適應能力、高適應能力的發展，取得了高軌道大型衛星運載能力，突破了從單一軌道面到三維空間各種軌道發射，從高軌衛星轉移軌道到工作軌道發射，從地球軌道到地月軌道發射，以及從航天技術試驗到高可靠工程應用發射等關鍵技術，使我國運載火箭整體能力取得了地球全軌道發射、星際軌道發射等跨越發展。航天重大工程和國際商業發射表明，該系列運載火箭已進入世界發射高軌道航天器的運載火箭前列，并奠定了進一步開拓發展的基礎。