跨越百發(fā)大關(guān)的長征三號甲系列運載火箭

文/李宇飛

在中國航天事業(yè)的發(fā)展征途中，有一型運載火箭格外亮眼，那就是長征三號甲系列運載火箭。這一型運載火箭對于我們國家從航天大國邁向航天強國，可以說是功不可沒。從1994年2月8日長征三號甲運載火箭首飛成功算起，到今年長征三號甲系列運載火箭迎來第100次發(fā)射，一舉跨入“百發(fā)俱樂部”，已經(jīng)過去了25個年頭。

長征三號甲系列運載火箭，包括長征三號甲、長征三號乙、長征三號丙三個型號，作為我國航天領(lǐng)域的主力運載火箭，目前主要用于我國地球同步轉(zhuǎn)移軌道及以上衛(wèi)星、航天器的發(fā)射任務(wù)，在探月工程、北斗工程等國家重大工程項目建設(shè)中發(fā)揮了關(guān)鍵作用，被譽為通往月球，以及北斗組網(wǎng)工程的“專屬列車”，在2007年被授予“金牌火箭”的稱號。

作為我國單一系列發(fā)射數(shù)量最多的運載火箭，長征三號甲系列運載火箭以其卓越的品質(zhì)創(chuàng)造了多項發(fā)射記錄。2015年，長征三號甲系列運載火箭曾經(jīng)創(chuàng)下109天執(zhí)行7次發(fā)射并全部取得圓滿成功的高密度發(fā)射記錄，平均一枚火箭的任務(wù)周期僅為16天，達到目前世界主流運載火箭水平。2018年，長征三號甲系列運載火箭連續(xù)成功開展14次發(fā)射任務(wù)，創(chuàng)下了年度發(fā)射數(shù)量紀(jì)錄，超過長征系列運載火箭全年發(fā)射任務(wù)的1/3?，F(xiàn)在就讓我們看看它的傳奇經(jīng)歷吧。

▲火箭發(fā)射

光榮的“長三甲”傳承

我國目前在役的長征系列運載火箭主要源自于遠程運載火箭，以它為基礎(chǔ)發(fā)展出了我國最基礎(chǔ)的長征二號火箭。以此為基礎(chǔ)，加上三級變成長征三號火箭。再經(jīng)改進之后就形成了長征三號甲系列運載火箭。

長征二號運載火箭為二級液體運載火箭，主要用于發(fā)射高度在500千米以下的各類近地軌道衛(wèi)星，低軌道運載能力為1.8噸。長征二號運載火箭3.35米的芯級直徑，以有毒的四氧化二氮和偏二甲肼組合而成的推進劑體系，70噸級主發(fā)動機模塊，都成為后續(xù)長征三號運載火箭發(fā)展的基礎(chǔ)。

1975年，我國正式開展了衛(wèi)星通信工程的研制工作。作為發(fā)射地球同步軌道通信衛(wèi)星的必備運載工具，長征三號運載火箭也正式開展研制。長征三號運載火箭的一、二子級基本上與長征二號運載火箭的一、二子級一致，三子級決定采用可實現(xiàn)二次啟動的液氫液氧發(fā)動機。

▲長征三號乙火箭

液氫的沸點是-253℃，液氧的沸點是-183℃，液氫和液氧在常溫下極易揮發(fā)，而且氫氣屬于易燃易爆品，一旦泄露后果不堪設(shè)想。這些特性為液氫和液氧的生產(chǎn)、貯存、運輸和使用帶來了很多難題。另外液氫液氧發(fā)動機還需要在高空失重狀態(tài)下進行二次啟動，發(fā)動機的研制難度極大，是航天領(lǐng)域絕對的尖端技術(shù)。

尖端技術(shù)是買不來的，航天專家任新民對此深有體會。1978年他率領(lǐng)代表團赴美參觀訪問，美國宇航局局長明確地告訴他：“氫氧發(fā)動機是美國國家技術(shù)機密，不能看，也不能談?！比ト毡緯r，也被告知“H-2火箭不能與中國談合作或交流”，在歐洲也遇到類似的“遭遇”。

氫氧發(fā)動機技術(shù)是一項復(fù)雜的技術(shù)，而當(dāng)時我國超低溫技術(shù)基礎(chǔ)薄弱，要在短時間內(nèi)研制成功，無論在技術(shù)上還是材料設(shè)備、工藝設(shè)計方面都遇到很大困難。在1978年的一次氫氧文氏管和氫泵臺的調(diào)試中，發(fā)生了嚴(yán)重的爆炸和起火事故，當(dāng)場有10人受傷。同年3月在調(diào)試氫泵試驗臺時，又發(fā)生大火，火勢直沖十米多高。

通過不斷的總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)，掌握液氫的安全排放和防爆等知識，1979年，氫氧發(fā)動機整機750秒試車成功。此后，在氫氧發(fā)動機試車中，渦輪泵軸承過熱引起過破壞，發(fā)生過液氫泄露起火，渦輪泵次同步共振和“縮火”等問題。從1978年9月氫氧發(fā)動機整機50秒試車到1983年8月全系統(tǒng)試車圓滿成功，經(jīng)歷了整整5個年頭。

克服重重困難之后，1984年4月8日長征三號運載火箭首次飛行成功，將東方紅二號試驗通信衛(wèi)星送入預(yù)定的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。長征三號運載火箭的研制成功使我國成為世界上第四個具有地球同步衛(wèi)星發(fā)射能力的國家，也為我國長征三號甲系列運載火箭的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。

身負(fù)重任而生

1986年3月，國務(wù)院批轉(zhuǎn)了航天工業(yè)部起草的《關(guān)于加速發(fā)展航天技術(shù)的報告》。至此，長征三號甲運載火箭研制項目正式獲準(zhǔn)立項。

長征三號甲系列運載火箭的研制發(fā)展思路可以說就是在長征三號火箭的基礎(chǔ)上“上改下捆、先改后捆、分步實施”?！吧细摹本褪菍﹂L征三號火箭的第三級進行重新設(shè)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”是指先在芯級火箭的改造上下功夫，改成之后再研制以其為基礎(chǔ)的捆綁型火箭。

對長征三號火箭的第三級進行重新設(shè)計后的火箭后來被命名為長征三號甲，在長征三號甲火箭的一級周圍捆綁四個助推器的火箭稱為長征三號乙，捆綁兩個助推器的火箭稱為長征三號丙。

1994年2月8日，長征三號甲運載火箭首次飛行試驗成功。1997年8月20日，長征三號乙運載火箭首次飛行試驗成功。2008年4月25日，長征三號丙運載火箭首次飛行試驗成功。

長征三號甲運載火箭主要用于發(fā)射地球同步靜止軌道衛(wèi)星，其地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運載能力為2.6噸，比長征三號火箭的1.45噸高了近一倍。長征三號甲運載火箭在星箭分離前可以對有效載荷進行大姿態(tài)調(diào)控定向，并提供一定的起旋速率、起旋方向，以滿足用戶的特殊需求。

為了實現(xiàn)研制目標(biāo)，在長征三號甲運載火箭的研制中，研制人員用了八年時間先后攻克了一百多項新技術(shù)和關(guān)鍵技術(shù)。遠距離通用測發(fā)控系統(tǒng)、控制系統(tǒng)全冗余技術(shù)、三級氫氧發(fā)動機校準(zhǔn)試車后不分解技術(shù)、激光慣性測量組合技術(shù)等新技術(shù)不僅國內(nèi)領(lǐng)先，有的還趕上和超過了世界航天大國的技術(shù)水平。而YF-75大推力氫氧發(fā)動機、動調(diào)陀螺四軸平臺、冷氦加溫增壓系統(tǒng)和低溫氫氣能源雙擺伺服機構(gòu)等四大關(guān)鍵技術(shù)的突破，不僅為長征三號甲運載火箭實現(xiàn)整體技術(shù)目標(biāo)提供了可靠保證，還使我國的火箭技術(shù)躍上一個大臺階。

YF-75大推力氫氧發(fā)動機的總體技術(shù)水平，包括設(shè)計與生產(chǎn)制造不僅在當(dāng)時的國內(nèi)是最先進的，在國外也達到了同類發(fā)動機的先進水平。

作為火箭控制系統(tǒng)核心的動調(diào)陀螺四軸小型慣性平臺，采用了全數(shù)字化技術(shù)和可編程電子式程序配電器技術(shù)。在不修改硬件的前提下，僅修改控制軟件即可實現(xiàn)不同發(fā)射狀態(tài)和對象的要求，具有適應(yīng)性強、制導(dǎo)精度高等特點。

▲長征三號丙火箭

給第三級火箭液氧貯箱增壓用的冷氦加溫增壓系統(tǒng)，屬于世界上第二個完全依靠本國力量研制成功的高難項目，不僅使火箭運載能力提高了約200千克，還使三級發(fā)動機第一、二次點火工作之間的無動力滑行時間基本不受限制，進而可以靈活的滿足不同衛(wèi)星發(fā)射的需要，改善火箭的使用性能。

用于控制三級發(fā)動機搖擺的低溫氫氣能源雙擺伺服機構(gòu)，重新設(shè)計后減輕了100多千克的結(jié)構(gòu)重量，攻克了氣動機高速旋轉(zhuǎn)條件下的干摩擦、自潤滑、高低溫區(qū)的快速交變等技術(shù)難關(guān)。

然而，在長征三號甲系列運載火箭的研制之路上也并非一帆風(fēng)順。長征三號乙的首飛就是一次嚴(yán)重的失利。由于火箭慣性基準(zhǔn)平臺失效，火箭點火起飛約2秒后，飛行姿態(tài)即出現(xiàn)異常，火箭偏離發(fā)射方向。飛行約22秒后，火箭撞上離發(fā)射架約1.85公里的山坡上，隨即發(fā)生劇烈爆炸，星箭全部損失。

▲長征三號丙火箭總裝

盡管遭受到了慘痛的失敗，但長征三號甲系列運載火箭研制隊伍臥薪嘗膽，痛定思痛，迎接挑戰(zhàn)，迅速找出了導(dǎo)致失利的故障模式，并進行改進，終于在首次失利一年半之后，取得了飛行試驗的成功。

支撐高軌衛(wèi)星應(yīng)用

位于地球表面36000公里高度地球同步靜止軌道的衛(wèi)星，因為可以與地球表面保持相對的靜止?fàn)顟B(tài)，因此可以實現(xiàn)對于地球固定地點長時間的無線通信聯(lián)系和光學(xué)監(jiān)視，這對于通信廣播、氣象監(jiān)測等方面的應(yīng)用有著巨大的價值。而打造我國高軌衛(wèi)星應(yīng)用基礎(chǔ)的運載火箭，就是長征三號甲系列了。

1994年11月30日，長征三號甲運載火箭成功地將人們期盼已久的大容量、長壽命“東方紅三號”通信衛(wèi)星送入預(yù)定的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。經(jīng)過多次成功變軌飛行后，衛(wèi)星進入地球同步靜止軌道。盡管由于衛(wèi)星推進系統(tǒng)燃料泄漏，致使衛(wèi)星定點未能成功，但已經(jīng)驗證了長征三號甲運載火箭構(gòu)建我國高軌應(yīng)用衛(wèi)星系統(tǒng)的能力。1997年5月12日，第二顆“東方紅三號”衛(wèi)星由長征三號甲運載火箭成功發(fā)射，并于5月20日定點成功，實現(xiàn)了我國通信衛(wèi)星研制技術(shù)的新跨越。

在2006年10月29日，長征三號乙運載火箭又將“東方紅四號”通信衛(wèi)星平臺首星成功發(fā)射升空?！皷|方紅四號”作為新一代大容量通信衛(wèi)星，其技術(shù)指標(biāo)已經(jīng)達到和趕上了國際同類衛(wèi)星的質(zhì)量與水平。

位于地球同步軌道的另一種重要的應(yīng)用衛(wèi)星就是氣象衛(wèi)星。地球同步靜止軌道上的氣象衛(wèi)星可以對同一地區(qū)實施連續(xù)觀測，對于區(qū)域性氣象預(yù)報作用更為重要。1997年6月10日，長征三號甲運載火箭載著風(fēng)云二號衛(wèi)星順利升空，6天后衛(wèi)星定點成功，開始在軌測試。同年12月1日，衛(wèi)星正式交付運營。風(fēng)云系列氣象衛(wèi)星投入業(yè)務(wù)運行后，成為我國現(xiàn)代化氣象業(yè)務(wù)系統(tǒng)中不可或缺的重要組成部分，也被世界氣象組織正式列為世界天氣監(jiān)視網(wǎng)全球觀測系統(tǒng)的一個組成部分。

2016年12月11日凌晨，長征三號乙運載火箭又成功發(fā)射了一顆新一代靜止軌道氣象衛(wèi)星，被稱為“世界最先進水平的氣象衛(wèi)星”的“風(fēng)云四號”。新一代的“風(fēng)云四號”能力獲得提升，對東西、南北各1000公里區(qū)域的觀測時間僅需要1分鐘，只需要15分鐘即可完成一張地球圓盤圖，而“風(fēng)云二號”需要30分鐘。

▲長征三號甲火箭

中繼衛(wèi)星享有“衛(wèi)星的衛(wèi)星”之譽，可為衛(wèi)星、飛船等航天器提供數(shù)據(jù)中繼和測控服務(wù)，能使資源衛(wèi)星、環(huán)境衛(wèi)星等數(shù)據(jù)實時下傳，極大提高各類衛(wèi)星使用效益和應(yīng)急能力。2008年4月25日，中國首顆數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星“天鏈一號”在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心由長征三號丙運載火箭成功發(fā)射升空。這意味著中國航天器開始擁有天上數(shù)據(jù)“中轉(zhuǎn)站”。此后，長征三號丙運載火箭又發(fā)射了3顆“天鏈一號”中繼衛(wèi)星，建成了比較完備的中繼衛(wèi)星系統(tǒng)，實現(xiàn)了全球組網(wǎng)運行。

2019年3月31日，長征三號乙運載火箭又將我國第二代數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星系統(tǒng)的第一顆衛(wèi)星，即“天鏈二號”數(shù)據(jù)中繼衛(wèi)星首星成功發(fā)射入軌。針對載人航天器、衛(wèi)星、運載火箭等用戶的數(shù)據(jù)傳輸速率和多目標(biāo)服務(wù)能力將會獲得較大提升。

▲火箭吊裝

長征三號乙運載火箭在2015年12月29日還成功發(fā)射過一顆具有里程碑意義的衛(wèi)星，即“高分四號”靜止軌道凝視遙感衛(wèi)星。這是作為中國第一個地球同步軌道遙感衛(wèi)星發(fā)射到太空中，也是世界唯一一顆顆靜止軌道遙感衛(wèi)星?！案叻炙奶枴北M管距離地面高達3.6萬公里，但仍能實現(xiàn)可見光50米、中波紅外譜段500米的高分辨率。高分四號所采用的大口徑面陣凝視相機，一次就能拍攝相當(dāng)于河南省大小的國土面積。

除此以外，長征三號甲系列運載火箭發(fā)射了迄今為止所有的北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，發(fā)射的軌道涵蓋地球靜止軌道、傾斜地球同步軌道和中軌道等多種不同類型，有力的支撐了北斗導(dǎo)航系統(tǒng)從構(gòu)建試驗系統(tǒng)，到構(gòu)建區(qū)域?qū)Ш较到y(tǒng)，直到建成全球?qū)Ш较到y(tǒng)。

長征三號甲系列運載火箭還搭建了地球通往月球的“天梯”。自2007年10月24日，長征三號甲運載火箭托舉“嫦娥一號”升空，將其送入近地點200公里、遠地點51000公里、軌道傾角31°的超地球同步轉(zhuǎn)移軌道。后續(xù)的嫦娥二號繞月探測器、嫦娥三號落月探測器、嫦娥五號T1飛行試驗器、嫦娥四號落月探測器也都由長征三號甲系列運載火箭成功發(fā)射，并直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道。