日新月异的中国运载火箭

庞之浩 贺勋（北京空间科技信息研究所 北京空间飞行器总体设计部）

截至2019年6月25日，我国“长征”系列运载火箭已发射了307次，为中国航天事业的发展做出了重要贡献。除了“长征”系列火箭外，我国还成功发射过“风暴”、“快舟”、“捷龙”等运载火箭，以及民营公司研制的双曲线一号运载火箭，但无论在运载能力、发射数量，还是在型号种类等方面都比“长征”少得多，因此“长征”系列火箭是我国运载火箭的绝对主力。

1 铸就辉煌

几十年来，通过我国几代火箭人的不懈努力，“长征”系列火箭走过了从常温推进到低温推进、从串联式到并联式、从低轨到高轨、从“一箭一星”到“一箭多星”、从发射人造地球卫星到发射载人航天器、空间探测器的技术历程，现已具备了发射低、中、高不同轨道和不同类型载荷的能力，运载能力、发射频度、成功率、入轨精度和适应能力均已达到世界一流水平，成为我国第一、世界知名、在国际高科技产业具有自主知识产权的品牌。

从1970年首飞至今，“长征”系列火箭先后有17型基础级火箭和5型上面级投入使用，成功将500多个航天器送入了预定轨道。

早期的“长征”火箭是从弹道导弹改进而来的，大约研制和发射了13种型号的“长征”系列火箭。后来，面对不断增长的空间资源开发需求以及日益激烈的商业发射市场，我国又在不断改进原有火箭的同时，开发出了4种型号的新一代大型、中型和小型运载火箭。

新一代运载火箭以可靠性、安全性和经济性等为主要设计原则，采用无毒环保、价格便宜、比冲较高的液氢/液氧或液氧/煤油发动机以及大直径、少级数等方案，通过模块化、组合化和系列化方式，成倍地提高了运载能力，降低了成本。

“长征”系列火箭实现首个100次发射用时37年；第二个100次发射用时7年多；第三个100次发射仅用了4年多时间。另外，“长征”火箭300次发射的成功率约为96%。其中在第三个100次发射中，发射成功率高达97%，居世界领先地位。尤其是在2018年，“长征”火箭以全年37次发射的全胜战绩，首次位居世界航天发射次数年度第一。

2 老当益壮

目前，我国主要使用长征二号子系列、长征三号子系列、长征四号子系列火箭，它们是较早研制的，分别用于发射低轨、中高轨和极轨航天器。

在低轨系列火箭方面，1970年4月24日，我国第一枚运载火箭长征一号成功发射了我国第一颗人造地球卫星。长征一号是三级火箭，其第一、二级采用当时我国发射远程战略导弹所用的液体火箭，第三级是新研制的固体火箭。该火箭低轨运载能力为300kg，为我国多级火箭技术的发展奠定了全面技术基础，掌握了多级火箭稳定和姿态控制技术等。由于运载能力较小，长征一号现已停用了。

准备发射东方红一号卫星的长征一号火箭

长征二号子系列火箭主要用于在酒泉卫星发射中心发射各种低轨道航天器。我国先后投入使用长征二号、长征二号C、长征二号D、长征二号E、长征二号F等。其中，长征二号火箭是一种以远程弹道导弹为原型进行研制的两级火箭，近地轨道运载能力为2.1t。1975年11月26日，它完成了中国第一颗返回式卫星的发射任务，现已退役。

长征二号D发射吉林一号组星

顶部装有逃逸塔的长征二号F发射“神舟”载人飞船

现役的长征二号C是长征二号的改进型，采用了大推力液体火箭发动机，箭长增加，低轨运载能力增加到4.1t，可靠性也大大提高，是此后不少“长征”子系列火箭发展的基础，主要用于发射近地轨道卫星，成功率很高，被授予“全国质量金质奖”。

现役的长征二号D是在长征二号的基础上采取增加推进剂加注量的方法增大起飞推力，低轨运载能力为3.7t。

长征二号E是我国第一种串并联式火箭。其芯级是长征二号C的又一改进型，并在第一级捆绑了4个助推器，使低轨运载能力达到9.2t。长征二号E/ETS火箭是在长征二号E的第二级上安装一个固体上面级——ETS，用于发射高轨卫星，现已退役。

长征二号F是我国第一种且是目前唯一一种载人运载火箭，发射载人飞船状态时的低轨运载能力为8.1t，发射空间实验室状态时的低轨运载能力为8.6t。1999年11月20日首射成功。它是在长征二号E基础上广泛采用了冗余设计，以保证航天员的安全。其外形上有一个与众不同之处，就是顶部装有一个类似避雷针的逃逸塔，它可使航天员的安全性达到99.7%。

为保证航天员的安全，长征二号F取消了自毁功能。为保证火箭飞行稳定性、赢得逃逸时间和提高逃逸成功率，火箭增加了尾翼。它还采用了垂直总装、垂直测试、垂直运输方式，大大节省了发射准备时间。

在中高轨系列火箭方面，我国先后研制了长征三号、长征三号A、长征三号B、长征三号C，主要用于在西昌卫星发射中心发射各种中高轨道航天器。它们都是三级液体火箭，第三级都采用了液氧/液氢低温推进剂，且可以多次启动，能直接将有效载荷送入地球同步转移轨道，但运载能力各不相同。

长征三号是在长征二号C的基础上，加装了以液氧/液氢为推进剂的低温上面级，地球同步转移轨道运载能力1.6t，使我国成为世界上第三个掌握低温高能推进技术和第二个掌握低温发动机高空二次点火技术的国家。该火箭于1984年4月8日首次发射成功；1990年4月7日又成功发射了亚洲一号卫星，实现了我国火箭国际商业发射服务零的突破。

1994年2月8日，长征三号A火箭首射成功。它是在长征三号的基础上采用了改进过的第三级低温发动机。它曾多次发射采用东方红三号卫星平台的人造地球卫星，包括嫦娥一号月球探测器等。

长征三号B是在长征三号A的第一级捆绑了4个助推器，而且第二级加长，增加了20t推进剂，使地球同步转移轨道运载能力提高到5.5t，1997年首射成功，是目前我国发射高轨道航天器的主力火箭。

长征三号C是在长征三号A的第一级捆绑了2个助推器，从而成为我国第一种非全对称火箭。其地球同步转移轨道运载能力为3.8t，介于长征三号A（2.6t）和长征三号B（5.5t）之间，于2008年开始使用。

在极轨系列火箭方面，我国研制、发射了长征四号子系列火箭。它们都是三级常温运载火箭，主要用于在太原卫星发射中心发射各种极轨道卫星。其中的长征四号A的极轨卫星运载能力为1.5t；在其基础上发展的长征四号B的极轨卫星运载能力为1.9t；长征四号C是从长征四号B改进而来的，极轨卫星运载能力为2.8t，且第三级火箭发动机具有二次启动能力。长征四号子系列已发射多颗陆地卫星、气象卫星和海洋卫星等极轨道遥感卫星。

准备发射嫦娥一号月球探测器的长征三号A火箭

发射北斗三号的长征三号C/远征一号火箭

长征四号B升空

3 新箭风采

为了适应运载火箭的发展方向，近年来我国按照“无毒、无污染、低成本、高可靠、大推力、适应性强、安全性好”的目标，从2015年开始陆续研制、发射了长征五号、长征七号、长征六号、长征十一号、捷龙一号等新一代大型、中型、小型和微小型运载火箭。

2015年9月20日，首次发射的长征六号新一代小型液体运载火箭把20颗卫星送入预定轨道。它是全新的三级液体火箭，全箭总长约29m，起飞推力1188kN，起飞质量约103t，可将1t的有效载荷发射到太阳同步轨道。该火箭用于执行太阳同步轨道和近地轨道等多种轨道发射任务。采用“三平”测发模式，即水平整体测试、水平整体星箭对接、水平整体运输起竖发射。发射准备周期仅需7天，能很好地适应卫星发射低成本、短周期的需求，现已投入商业发射。

长征六号新一代小型液体火箭发射时使用机动发射架

2015年9月25日，长征十一号火箭首次发射，将4颗小卫星送入预定轨道。它是全新的四级小型固体运载火箭，总长约21m，总质量约58t，箭体最大直径2m，可把500kg的有效载荷发射到500km高的太阳同步轨道，200km低轨运载能力可达700kg。作为“长征”家族中第一型和唯一型固体火箭，长征十一号具有快速、可靠、便捷、低廉的优势，实现了我国运载火箭24h快速发射的跨越，主要用于1000km以下太阳同步轨道和近地轨道中小型航天器的单星和多星组合发射，满足自然灾害、突发事件等应急情况下微小卫星发射需求，现已投入商业发射。

2019年6月5日，我国在海上平台用长征十一号火箭，将技术试验卫星捕风一号A、B星及5颗商业卫星顺利送入预定轨道，这是我国首次在海上实施运载火箭发射技术试验。在海上发射运载火箭，既能降低发射成本、提高运载能力，还可有效解决火箭航区和残骸落区安全性问题，避免大规模人员疏散。

在海上发射长征十一号火箭

2016年6月25日，长征七号新一代中型运载火箭首次发射成功。它采用二级半构型，主要用于发射近地轨道或太阳同步轨道有效载荷，可以把13.5t的有效载荷送入近地点200km、远地点400km、倾角42°的近地轨道，或将5.5t的有效载荷送入700km的太阳同步轨道。它是利用长征二号F火箭成熟技术，在大体不变情况下换成新研制的液氧/煤油发动机。

长征七号火箭升空

长征七号是我国首枚采用全数字化手段研制的火箭，在全研制流程没有一张纸质图纸，大大降低了成本，减小了产品报废率，缩短了研制流程。它还有防水、防风、防盐雾等功能，可以在8级大风的情况下进行垂直转运，抗风能力为目前“长征”家族之最；中雨时也能发射。由于长征七号直径为3.35m，所以在我国4个发射场均能发射。目前，它主要用于发射“天舟”货运飞船，预计到2021年火箭各项技术趋于成熟稳定时，它将逐步替代现有的长征二号、三号、四号子系列，承担我国80%左右的发射任务，包括发射载人飞船等。

2016年11月3日，长征五号新一代大型运载火箭首次发射成功。它采用二级半构型，全长56.97m，芯一级、第二级直径5.0m，单个助推器直径3.35m，起飞质量869t，起飞推力1078t。其芯一级装有2台可双向摇摆、推力均为50t的液氢/液氧发动机；还并联了4个各装有2台推力均为120t的液氧/煤油发动机的助推器，其中l 台为摆动发动机。其芯二级直径为5m，装有2台推力均为9t的液氢/液氧发动机，它们是由长征三号A第三级氢氧发动机改进而来，发动机可双向摆动，具备二次启动能力。其整流罩长12m，直径5.2m。该火箭主要用于发射地球同步转移轨道卫星，地球同步转移轨道运载能力为14t，可用于发射大型空间探测器、大型人造地球卫星等，综合性能指标达到国际主流运载火箭水平。

整装待发的长征五号火箭

2019年7月25日，北京星际荣耀空间科技有限公司的双曲线一号遥一运载火箭在酒泉卫星发射中心成功发射，将多颗卫星及有效载荷精确送入预定轨道，实现了中国民营运载火箭零的突破。

2019年8月17日，捷龙一号遥一火箭在酒泉卫星发射中心发射成功。这是捷龙一号运载火箭首次执行飞行任务，开启了我国商业航天新的篇章。捷龙一号火箭是面向商业航天市场打造的一款微小型固体运载火箭，也是是我国固体火箭中体积最小、重量最轻的火箭。火箭为四级固体发动机串联的总体构型，全箭总长约19.5m，箭体直径1.2m，起飞质量约23.1t，500km太阳同步轨道运载能力可达200kg，是我国运载效率最高的固体商业火箭。纯商业模式是指捷龙一号火箭是利用社会资本开展研制生产、促进模式创新的。主要体现在两方面：一是研制经费不是来源于国家经费，而是面向社会资本融资；二是以往火箭研制过程中基本都是与体制内的成熟配套单位合作，该型火箭打破了原有的配套关系，通过竞争，选择性价比最优的配套单位，提高性能、降低成本。目前，捷龙一号火箭的目标成本基本可以达到3万美元/千克，是世界上单位载荷入轨成本最低的火箭。

捷龙一号火箭升空

4 上面级

上面级是一种能够进一步将航天器从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道或预定空间位置的小火箭。它可多次启动，工作时间长，能先后把不同“乘客”送到不同目的地，大大增强了我国运载火箭的任务适应性。

2015年3月30日，我国首个自主研发的四级火箭—长征三号C/远征一号首飞，发射了“北斗”导航卫星。它是在原三级半的长征三号C火箭上面增加了一级，从而变成四级火箭。以往的三级火箭只能将卫星送至转移轨道，而改进后的四级火箭则可以直接将卫星发送至距离更为遥远的目标轨道，卫星不需要再变轨了，从而能大大节省燃料甚至取消远地点发动机。一般的三级火箭只能飞行0.5h左右，而装有上面级的四级火箭可飞行5～6h，能飞到几万千米的外太空。

2015年6月25日，我国长征七号首飞，搭载了远征一号A上面级。其在轨飞行时间从远征一号的6.5h延长至48h，主发动机由2次启动增加至20次启动，分离次数由1次增加至7次。所以，它可把更多的“乘客”送到不同的地点，变轨能力大大增强，拓展了摆渡车的服务功能，通过多次点火工作，适应更多复杂的路线。

2015年7月25日，长征三号B/远征一号火箭实现“一箭双星”，把2颗“北斗”导航卫星直接送入轨道。

2018年10月9日，长征二号丙火箭与远征一号S上面级携手，成功将遥感三十二号01组2颗卫星精准送入预定轨道。该上面级是专门为满足中低轨、短时间的发射需求研制的一型新产品，主要与直径为3.35m的火箭组合完成短时间飞行的发射任务。它执行任务时间短，与基础级分离完成后马上点火加速，整个飞行任务基本上在1h以内。

此前，“远征”上面级家族已有3名成员。远征一号上面级是基本型，主要针对中高轨的直接入轨任务，只有二次启动能力，被称为“太空摆渡车”。远征一号甲上面级实现了多次启动、长时间在轨，目前启动次数能达到20次，完成不同轨道的多星部署，被称为“升级版太空摆渡车”。远征二号上面级是远征一号系列化的产品，有2台发动机，运载能力更大，执行高轨多星的直接入轨任务，被称为“增强型太空摆渡车”。

上述4种型号的“远征”上面级基本能满足不同发射任务的需求。我国还研制了更先进的远征三号上面级，未来型号队伍将进一步提高上面级任务的适应性。

远征一号上面级模型

5 前景广阔

为了满足未来航天的更多需求，我国还在研制长征五号B、长征六号A、长征七号A、长征八号、长征九号、新一代载人运载火箭等更多的新型火箭。2025年前后，我国可重复使用的亚轨道运载器将研制成功，将使亚轨道太空旅游成为现实。同时，空射运载火箭将快速发射能力提升到小时级。2028年，以火箭发动机为动力的两级完全重复使用运载器将研制成功。2035年左右，运载火箭将实现完全重复使用，以智能化和先进动力为特点的未来一代运载火箭将实现首飞。2040年前后，未来一代运载火箭将投入应用，组合动力两级重复使用运载器将研制成功，核动力空间穿梭机将出现重大突破。