长三甲系列火箭发射研制技术

2019-09-23刘立东张亦朴贾大玲

导弹与航天运载技术 2019年4期

刘立东，张亦朴，李聃，胡炜，贾大玲

（北京宇航系统工程研究所，北京，100076）

0 引言

自1994年2月8日，长征三号甲（CZ-3A）系列火箭一箭双星发射实践四号卫星和模拟星首飞成功以来，CZ-3A系列火箭型号已经走过了辉煌的25年，在探月工程、北斗工程和国际商业发射服务中发挥了重要作用，截至2019年5月，已经完成型号的第101次发射任务，前100次发射成功率达到98%，处于世界一流水平。本文对CZ-3A系列火箭25年来的技术历程进行总结，对未来的技术发展进行展望。

1 研制历程

CZ-3A系列研制中，按照“上改下捆、先改后捆、坚持三化、统筹发展”的总体方案，首先研制火箭氢氧三子级构成CZ-3A火箭，作为火箭系列化的第1步，再以CZ-3A作为芯级，捆绑4枚或者2枚助推器，形成长征三号乙（CZ-3B）和长征三号丙（CZ-3C）火箭。

1986年2月，中国新一代通信卫星工程正式立项，CZ-3A作为工程配套的火箭也正式启动研制工作，在充分继承长征三号（CZ-3）火箭成熟技术的基础上，突破了以大推力氢氧发动机、动调陀螺四轴平台、冷氦加温增压和氢气能源双摆伺服机构四大关键技术为代表的上百项新技术项目，使得中国运载火箭技术跨上一个新台阶；同时也使得中国火箭地球同步转移轨道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）运载能力达到了2600 kg，提升了中国运载火箭在国际卫星发射市场上的竞争力。

以CZ-3A火箭为基础，上改下捆，研制了CZ-3B火箭，标准GTO发射能力达到5500 kg。尽管在1996年2月15日首飞发射国际708卫星失败，但完成全面的质量整顿和彻底归零后，CZ-3B圆满完成了以马部海通信卫星、亚太二号R通信卫星、中卫一号通信卫星、鑫诺一号通信卫星为代表的多项国外商业卫星的发射任务，在国际商业发射市场中占据了一席之地。CZ-3B火箭及其各种改进构型是 CZ-3A系列火箭的主力火箭，主要发射高轨军事通信卫星、商业通信卫星、北斗二号的中地球轨道（Medium Earth Orbit，MEO）卫星、北斗三号卫星和风云四号气象卫星等。2013年12月2日，CZ-3B火箭将嫦娥三号探测器送入太空，为探测器月面软着陆，开展月面就位探测与自动巡视探测奠定了坚实基础。2018年12月8日，CZ-3B火箭将嫦娥四号探测器送入太空，实现了人类首次月背软着陆。截止到2019年5月，CZ-3B火箭共发射57次。

2008年4月25日，CZ-3C火箭成功发射天链一号01星圆满成功，标志着中国突破了非全对称火箭设计技术，使得中国高轨任务运载能力分布更加合理，实现了CZ-3A系列火箭真正的系列化、组合化。CZ-3C火箭标准地球同步转移轨道发射能力达到3700 kg。截止到 2019年5月，CZ-3C火箭共发射17次，全部获得圆满成功。

2 CZ-3A系列火箭构型现状

截至目前，CZ-3A系列火箭家族包括共10个子构型，最终形成构型丰富、梯度合理、模块通用的CZ-3A系列火箭，目前CZ-3B、CZ-3C和CZ-3B/G1火箭已停止生产，不再提供发射服务。主力在役和在研构型见图1，截止2019年5月份，各构型发射次数和运载能力见表1。

图1 CZ-3A系列火箭构型Fig.1 LM-3A Series

表1 CZ-3A系列火箭各构型能力Tab.1 LM-3A Series Capacity

CZ-3B/G5火箭整流罩全长10 281 mm，壳体最大直径Φ4200 mm，从上到下由前锥段（含球冠）、柱段、倒锥段组成，具体外形和包络尺寸如图 2所示。同时，新研2334A接口卫星支架及包带。卫星支架是高1400 mm的截锥蜂窝夹层结构，夹芯为铝蜂窝，外层为碳纤维，上端名义直径Φ2334 mm，下端直径Φ2900 mm的截锥体。

为进一步适应卫星的发射需求，CZ-3A系列火箭最新构型CZ-3B/G5火箭拟于2020年发射。通过发射轨道优化设计、新研4200ZL整流罩、控制系统采用迭代+摄动制导方案、应用主动减载技术、采用火箭全方位起飞滚装定向方案、研制2334A接口卫星支架和星箭解锁装置等措施，使得 500 km太阳同步轨道（Sun-synchronous Orbit，SSO）运载能力达到 4500 kg。

图2 CZ-3B/G5火箭整流罩Fig.2 LM-3B/G5 Fairing

3 CZ-3A系列火箭发射技术创新成果

技术创新一直以来都是 CZ-3A系列火箭的优良传统，研制过程中型号突破了四大关键技术，使得服役初期的 CZ-3A系列火箭综合性能达到了国际一流水平，但型号并未就此停止创新的步伐。随着中国航天事业的发展，结合国家重大工程任务的研制立项，CZ-3A系列火箭不断创新，自2007年CZ-3A火箭取得“金牌火箭”称号后，又取得了一系列丰硕的创新成果。

3.1 CZ-3C构型总体技术创新成果

2008年4月25日，CZ-3A系列火箭中的CZ-3C火箭首飞成功，成为中国首个非全对称火箭，标志着中国突破了非全对称火箭设计技术。与传统轴对称构型运载火箭相比，CZ-3C火箭取得了很多技术突破，其主要技术创新包括：运载火箭外形及总体设计技术，非轴对称构型火箭发射轨道设计技术，非轴对称构型火箭气动设计技术，非轴对称构型火箭动力学，运动学模型设计技术，非轴对称构型火箭动特性设计技术，非轴对称构型火箭分离设计技术，一级尾段结构适应尾翼及助推器安装设计技术以及运载火箭三通道交连姿态控制技术8个方面。

CZ-3C火箭的首飞成功为中国非轴对称构型运载火箭的总体设计摸索出了一套有效的设计方法：a）针对非轴对称构型，姿态控制系统的设计复杂程度大幅增加，CZ-3C火箭在长征系列运载火箭中首次全程采用了三通道交联解耦的控制方式，极大地提高了运载火箭的适应性；b）CZ-3C火箭采用了系列化、通用化、组合化的设计原则，其箭体结构和绝大部分单机设备可以完全与 CZ-3B火箭通用，有效降低成本。CZ-3C火箭的研制成功使CZ-3A系列火箭形成了完整的系列，构成了中国高轨道运载能力最大、适应性最强的火箭群体，进一步提高了中国高轨道运载器对各种有效载荷的任务适应性和选择的灵活性，增强了长征系列运载火箭在国际卫星发射服务市场的竞争力。

3.2 探月工程中技术创新成果

在探月工程任务实施过程中，针对深空探测任务的特殊需求，CZ-3A系列运载火箭突破了以下几项重要技术：

a）基于长时间滑行的地月转移轨道多窗口发射技术。

提出了延长火箭滑行时间、提前加入偏航并加入相反方向程序角等轨道设计新方案，解决了多窗口、多约束条件下空间交汇轨道设计难题；突破了运载火箭全量姿态动力学控制、小邦德数连续沉底、长时间滑行发动机预冷程序等新技术，解决了低温火箭长时间滑行失重状态下氢氧推进剂晃动抑制和温度控制等影响二次启动的难题；攻克了适应多窗口发射的运载火箭飞行软件设计难题，在测试发射控制体制和箭地接口不变、各系统测发流程兼容等约束条件下，解决了发射窗口变更后多个飞行软件的快速变换的瓶颈问题。

b）基于末级钝化推力变轨的月球借力轨道设计技术。

提出利用末级钝化推力提供较小速度增量和借用月球引力提供较大速度增量的新方案，解决了末级再入地球带来的安全性问题；提出了利用火箭末级剩余能量进行轨道修正的设计方案，解决了器箭分离后火箭进行轨道修正需要的能源问题；综合考虑多类偏差工况，实现了基于月球引力场的器箭远场安全设计，解决了深空多物体复杂引力场条件下的远场安全问题。

c）地月自由返回发射轨道设计技术。

主要解决了火箭自身低温动力系统最短滑行时间不少于200 s的限制，近地点幅角超出范围的问题，满足了连续3天发射窗口的要求。

d）运载火箭低温加注后不泄出推进剂延迟 24 h发射技术。

提出低温推进剂不泄出条件下的火箭延迟24 h发射总体方案，解决了低温推进剂加注后可推迟发射时间不适应探月工程准时发射的难题；提出液氢低液位停放和小流量自动补加相结合的氢蒸发量抑制方案，解决了推迟发射期间液氢蒸发量过大的问题；提出了氢氧发动机自流预冷方法，解决了发动机预冷后只能推迟2 h发射的限制问题。

3.3 北斗工程中技术创新成果

北斗工程对运载火箭提出了一型火箭多轨道面组网发射的新要求。需要CZ-3A系列火箭具备高、中轨道高度，东射向、南射向多方向的发射能力。为加快组网速度，减少工程建设成本，运载火箭系统开展了CZ-3B/G1及G4构型火箭的研制，在火箭结构设计、分离技术、环境控制等方面取得了重大技术突破，对其它新型火箭的研制也有重要的借鉴意义。

CZ-3A系列火箭针对北斗工程这一突出特点，开展了有针对性的研制，突破了多项关键技术。通过远距离测发控系统的建设、控制地面测发控系统的冗余设计，提高了测发控系统完成控制系统综合试验、出厂测试及靶场发射任务的能力；贮箱射前地面增压技术确保了射前贮箱增压的可靠性；连接器自动脱落技术，测试及靶场发射任务的能力；贮箱射前地面增压技术确保了射前贮箱增压的可靠性；连接器自动脱落技术，对气脱供气系统进行冗余，消除单点故障环节；仪器电缆安装防水防潮技术的成功应用，解决了目前电缆、电连接器本体无法适应雨季发射的问题，提高了发射的可靠性；连续液位传感器控制液氧加注技术的成功应用，在中国运载火箭上首次实现了对低温推进剂加注量的实时、连续控制，对 CZ-3A系列运载火箭高密度发射提供了有力保障，提高了发射适应性和发射可靠性。