中国航天实现首次海上发射—揭秘CZ－11海射型运载火箭及其发射服务应用

尚辉 张飞霆 邵旭东 孟翔 李同玉 （中国运载火箭技术研究院

作为我国首个海上发射运载火箭，以及全球首型面向微小卫星及其星座发射的海射火箭，长征11号（CZ－11）海射型火箭于2019年6月5日成功首飞。通过继承“长征”系列运载火箭已有型号的成熟技术并应用新的海上发射模式，该运载火箭具有任务适应性强、航落区限制少、安全性高、国际化运营潜力大等优势。CZ－11海射型火箭可将有效载荷发射到高度200～1000 km、倾角从太阳同步轨道到近赤道轨道范围的各种低地球轨道，为全球微小卫星提供了一种更加灵活、可靠和经济的新型发射服务。

1 概述

近年来，全球微小卫星产业发展迅速，产生了多种基于微小卫星（含小卫星、微卫星、纳卫星）开展业务应用的发射需求，特别是在大量微小卫星星座等待部署的情况下，涌现出了对经济性、可靠性和快速响应能力的迫切需求。

为满足这一市场领域的发射需求，我国首个固体航天运载火箭型号—长征11号（CZ－11）完成研制，并于2015年9月成功首飞。在CZ－11火箭的基础上，中国运载火箭技术研究院推出了针对微小卫星的发射服务并推向国内外商业发射服务市场。此后4年间，CZ－11火箭成功完成了6次发射，将多颗国内外研制的微小卫星准确送入轨道，得到了国内外航天界的广泛认可。

CZ－11火箭以面向低轨道中小型航天器发射为服务定位，并具有机动发射能力好、发射环境适应能力强、发射保障要求较低等特点。基于此特点，中国运载火箭技术研究院提出将其发射工位从陆基改为海基，通过适应性改造，形成一款新的海上发射火箭的设想。

运载火箭海上发射是基于船舶、海工平台等海上移动平台，在海域发射点开展的火箭发射。海上发射方式，使运载火箭能够在海洋上自由选择发射位置，将打破发射场纬度的束缚，提高火箭的任务适应性，满足从我国现有陆上发射场发射时难以有效满足的低倾角低轨中小卫星的发射需求。

国际上最早开发并开展发射服务应用的海射运载火箭为海射天顶号火箭。该项目于20世纪90年代提出，将火箭用船舶载往太平洋上赤道海域的选定地点，开展地球同步轨道卫星的发射服务。自1999年首飞到2014年俄乌两国关系恶化、项目停运，海射天顶号火箭共进行了36次发射，成为国际通信卫星商业发射市场主力之一，市场份额名列前茅。从该型火箭的研制和应用过程可以看出：相比传统的陆上发射模式，海上发射是一种灵活、高效、经济的新型发射模式。相对于中高纬度发射场，海上低纬度发射则具有地转初速大、无需降倾角变轨的优势，使天顶号运载火箭的同步转移轨道运载能力从3.5t大幅提升到6.1t。同时，利用海域上空作为运载火箭的航区、落区，火箭飞行避开人口稠密区域上空，可提高安全性。

在国内外发射需求的拉动，尤其是国际市场低倾角低轨中小卫星发射服务项目的牵引下，在各上级机关和有关单位的支持下，中国运载火箭技术研究院抓总开展了固体运载火箭海上发射技术开发，进行了CZ－11海射型火箭研制工作。经过近3年的工作，CZ－11海射型火箭于2019年6月5日成功首飞，并开始向国内外市场提供发射服务。

2 海上发射的优势

采用海上发射技术可使运载火箭具备多种优势，可进一步提升运载火箭的发射服务能力。

任务适应性强，经济性好

传统的低倾角发射需求主要来自以地球同步轨道卫星为代表的低倾角高轨卫星；低轨道的发射需求则通常为以太阳同步轨道卫星为代表的中高倾角轨道卫星。经过几十年的发展，我国形成了以“长征”系列为代表的多型运载火箭，形成了基于现有4个陆地发射场的发射能力，较好满足了这些需求。而近几年，国内外低轨卫星技术和应用快速发展，出现了越来越多的低倾角低轨卫星，这与之前卫星的目标轨道差别较大，对我国火箭发射服务能力提出了新的要求。

按照轨道动力学规律，当目标轨道倾角低于发射场纬度时，需进行降低倾角的轨道机动。轨道高度越低，这种机动消耗的能量越多，运载火箭和航天器动力系统的能力损失就越大。对于低倾角低轨卫星发射任务，降倾角机动所需能量消耗过大，技术与经济可行性差，无法有效开展。我国现有发射场中，西昌和文昌发射场的纬度较低。对于倾角低于19°的低倾角低轨发射任务，这两个发射场的现役火箭型号由于降倾角机动造成大量运载能力损失，常常无法高效率执行低倾角低轨发射任务，甚至无法完成接近0°倾角的任务。

若火箭从更低纬度地区发射，则可免去降倾角轨道机动，有效完成低倾角发射任务。同时又可通过调整火箭发射方向，兼容中高倾角发射任务，增强火箭的任务适应性。还可以有效利用地转速度提升发射初速度，从而进一步提升火箭运载能力。但在我国境内已难以新建更低纬度的陆上发射场。

我国拥有300万平方千米的主张管辖海域，南北纬度跨度大，同时邻接着广阔的太平洋海域。通过海上发射，发挥广大海域的有利地理条件，可大幅降低发射点纬度，从而大幅提高低倾角任务发射效率。同时这些海域均可开展太阳同步轨道等中高倾角发射任务，使运载火箭具有更强的任务适应性。

突破航落区限制，增强任务安全性

随着经济和社会的不断发展，建设在陆地上（尤其内陆地区）的发射场，所发射运载火箭的落区问题逐年凸显出来。现有陆上发射场运营过程中，航区、落区要避开人口与经济密集区。一方面，多数任务受到限制，轻则火箭运载能力损失、重则无法完成任务。另一方面，部分任务开展期间需安全撤离，给人民生产、生活带来了不便。即便如此，国内外民众目睹火箭残骸坠落在生产生活设施周围等新闻仍不时见诸媒体。

采用海上发射模式，通过灵活选择发射点，可最大限度地将航区、落区分布在无人海域，从而有效避免火箭残骸对地面人员、财产等造成的风险，大幅提高安全性，减少发射活动对人民群众生产、生活的影响。也可突破航区、落区选择对任务的局限，优化弹道设计，最大程度地发挥火箭运载能力。

国际化运营潜力大

据统计，包括亚太、东南亚及非洲低纬度地区“一带一路”沿线国家以及中美洲地区各国，世界有40亿人生活在南北纬15°的低纬度地区。全球重要的海运通道和航线也有相当一部分处在低纬地区。低倾角低轨道卫星可以通过数量较少的卫星快速覆盖相关地区，提供通信、遥感等服务，助推地区发展。通过海上发射可高效建设更适用于这些低纬度国家与地区的低倾角卫星系统，满足应用需求。

另一方面，通过发展海上发射技术，使长征火箭逐步具备实施全球海域发射能力，使国际发射服务不再局限于国内发射场，为开展“送发射上门”、“合作发射”等新合作模式提供技术基础，为国际航天合作开辟新的途径，使长征火箭更具国际竞争力，为更多的国家提供更多样的服务，助推中国航天进一步走出国门、进入国际市场。

3 火箭总体情况

CZ－11海射型运载火箭

CZ－11海射型与从中国内陆发射场发射的CZ－11标准型的火箭基本一致，为四级固体运载火箭，总长20.8m，起飞质量57t，最大直径2m。该运载火箭由以下主要子系统组成：箭体结构，推进系统，控制系统，遥测系统和航区安全系统。

1）箭体结构。箭体结构主要包括有效载荷整流罩、有效载荷适配器、仪器舱、级间段、尾段、子级分离结构和机构以及电缆盖等。

2）推进系统。在推进系统中，四个子级都采用了固体发动机作为主动力，并采用了反作用控制系统。

3）控制系统。控制系统主要由制导和导航系统、姿态控制系统、综合电子系统以及测发控系统组成。制导和导航系统采用激光捷联惯性导航系统和卫星导航系统。姿态控制系统采用三通道数字设计。测发控系统采用地面测试和箭上测试相结合的模式。

4）遥测系统。遥测系统采用基于地面和卫星中继完成运载火箭飞行过程的遥测和跟踪。

CZ－11海射型火箭箭体结构

CZ－11海射型火箭不同倾角圆轨道的运载能力

5）航区安全系统。在飞行中，航区安全系统将持续监控火箭的关键功能。一旦发生飞行偏离等严重故障，系统将发出指令，以启动火箭自毁机制，保护地面安全。

4 发射服务性能

CZ－11海射型火箭通过采用海上发射使发射位置能够灵活选择，可将有效载荷发射到各种高度和各种倾角的近地球轨道，典型任务为轨道高度200～1000km的圆轨道，轨道倾角方面则覆盖了从赤道轨道到太阳同步轨道的全部范围。

运载能力

CZ－11海射型火箭的标准发射能力是：500km赤道地球轨道（倾角0°）为620kg，500km太阳同步轨道（SSO）为430kg。对于200～1000km的圆轨道，倾角不同则运载能力不同。此外，根据任务需要，CZ－11海射型火箭也可完成各种椭圆轨道发射任务。

入轨精度和航天器姿态调整精度

CZ－11海射型火箭的入轨精度可列出如下（3σ精度要求）。

星箭分离前，CZ－11海射型火箭可根据用户需求进行航天器最后阶段的姿态调整。滚动、俯仰和偏航的角度偏差（3σ）都小于2°，对应的角速度偏差（3σ）也小于 2 °/ s。

CZ－11海射型火箭的入轨精度

整流罩包络和有效载荷接口

两种类型的整流罩为可用于不同任务的、外径分别为1.6m和2.0m的整流罩。可以根据任务要求调整包络圆柱段的长度。整流罩的锥段部分本身是透波的。如任务需要，也可在圆柱形部分上设置透波窗口。对于较小的卫星，有多种机械接口可供用户选用，如立方星分离机构、轻型包带、点式分离机构等。

整流罩有效载荷包络

5 发射操作和飞行时序

火箭在装配厂房中完成总装、测试后，完成有效载荷对接和整流罩封装操作。

随后，将火箭吊装至发射车上并转运到海港。发射车装船后，发射船启航。在到达海上发射位置后，火箭完成测试、起竖等准备工作。在遥测跟踪控制船的控制和监测下，火箭点火升空，将有效载荷送至目标轨道。

除由发射船运往发射点的航行时间外，发射准备操作的标准周期为7天。

在装配厂房中的有效载荷对接操作

海上发射塔架

转运火箭

海上发射平台

CZ－11海射型火箭典型飞行时序

CZ－11标准型和海射型的飞行记录

6 发射服务应用示例

为更好的说明CZ－11海射型为微小卫星提供服务的能力，作为示例，假定要发射一个由2颗微卫星（Microsat）和多颗纳卫星（Nanosat）组成的卫星群，目标轨道为15°倾角的近赤道轨道。围绕这个假定的低倾角发射需求开展分析，并给出发射服务解决方案。

发射服务需求

有效载荷为4颗微卫星，每颗发射质量为75kg，每个发射质量为7kg的18颗纳方星（3U规格的立方星）。目标轨道是一个轨道平面接近赤道平面的圆轨道，其高度500km、倾角15°。

发射服务解决方案

在任务分析之后，为4个微卫星选择了标准660型星箭接口，为18颗立方星选用了3U规格的立方星分离机构（每套质量1kg），设计了专用的卫星支架结构。为完成分离控制，选用了CZ－11火箭多星分离控制器提供各分离机构的分离配电。

4个微卫星及其星箭接口的发射质量总计为360kg，18个3U立方体及其分离机构的发射总质量为144kg。

CZ－11对目标轨道的发射能力为600kg。考虑到有效载荷的安装结构和其他辅助设备的质量，发射能力足以完成任务。

考虑到轨道倾角、降落区域、任务给养便利性等因素，仅从理论上可行的角度，可选取海南岛南端中国领海海域的发射位置。

7 CZ－11标准型和海射型的飞行任务情况

CZ－11前6次发射任务体现出其高入轨精度的优势，实测入轨精度比允许误差高1～2个数量级。

8 结论

通过继承“长征”系列运载火箭已有型号的成熟技术并采用新的海上发射模式，CZ－11海射型火箭具有任务适应性强、航落区限制少、安全性高、国际化运营潜力大等优势。作为我国首个海上发射航天运载火箭，以及全球首型面向微小卫星及其星座发射服务的海射火箭，CZ－11海射型火箭的研制与应用，为全球微小卫星业界提供更加灵活、可靠和经济的新型发射服务。长征火箭将以更加优良的发射服务推动全球航天产业发展。