捷龙三号：为商业航天注入新动能

文/刘岩

2022年12月9日，捷龙三号火箭采取海上热发射方式，在黄海海域的发射船上成功首飞，随后将14颗卫星送入预定轨道。“捷龙三号”是面向未来卫星星座快速组网发射需求而打造的商业四级固体火箭，突破了多项关键技术，具备“一箭20星”的发射能力，综合发射成本为国内当前最优，必将为国内商业航天发射注入强有力的新动能。

▲ 捷龙三号火箭成功实现国内首次海上热发射

▲ 捷龙三号火箭整流罩特写

▲ 捷龙三号火箭箭体不同部位直径差别较大

固体火箭优势充分发挥

众所周知，固体火箭构造相对简单，具有可靠性高、履约周期短、发射场保障简便等优势。捷龙三号火箭则有运载能力强、整流罩包络空间大、发射方式多样化、经济性好、发射效率高、履约周期短等特点，将固体火箭的多方面优势发挥得淋漓尽致。

公开资料显示，该火箭全箭总长31.8米，箭体最大直径2.65米，起飞质量140吨，500千米太阳同步轨道运载能力1.5吨，拥有2.9米直径和3.35米直径整流罩，可实现海上发射和陆地车载发射，任务适用性强。

正所谓“动力有多强，航天舞台就有多大”。捷龙三号火箭使用了国内装药量最多、推力最大的高性能纤维缠绕复合材料壳体整体式固体发动机。该发动机直径2.65米，装药量71吨，推力达到200吨，采用了多项新技术，综合性能达到世界一流水平。

通过技术经济一体化手段的多管齐下，航天科技集团一院中国长征火箭有限公司（简称中国火箭公司）研制团队在确保产品可靠性的同时，实现了设计成本可控，提高了发动机产品的综合性能。在本次任务中，捷龙三号火箭首次完成了中国火箭海上热发射，实现了从海上冷发射到海上热发射的跨越。

在本次任务中，捷龙三号火箭的外形也被人津津乐道——“头大脖子细”。原来，捷龙三号火箭箭体最大直径2.65米，最小直径仅2米，而研制队伍采用了直径3.35米整流罩，相比同规模固体火箭，可为有效载荷提供更大的包络空间。不过，这种构型给火箭结构载荷设计、飞行姿态控制和复杂的噪声振动环境设计等方面带来了很大的麻烦，研制团队努力为卫星准备了更“舒适”的空间。

捷龙三号火箭一体化测发指挥系统也更加简洁、智能。据了解，地面测发控系统前后端全面集成在前端测发控制舱和后端一体化指挥控制舱中，系统集成度高，智能化程度高，可以实现笔记本电脑“一键式”发射。

本次捷龙三号火箭成功发射，还进一步验证了生产制造发射一体化的优势——减少火箭生产制造与发射之间的复杂运输环节，缩短发射链条，大幅提高发射效率。

据悉，捷龙三号火箭的总装测试工作是在中国火箭公司位于山东省海阳市的固体火箭总装测试基地进行的，采取批量生产贮存模式。执行发射任务时，开展星箭对接和整流罩对接；经过必要的测试后，火箭整体转运至海上发射母港（海阳港）上发射船，运输距离不超过6千米，运输用时不超过2小时；发射船载火箭运输至目标海域后，进入发射流程。整个流程用时一般不超过一周，单次发射效率大幅提高，且可实现一周一次的高频次发射。

值得一提的是，捷龙三号火箭在研制过程中大量采用了“天巽”“天行”“天际”“天象”等自主可控工业软件，实现了由国外工业软件向自主可控转变，由地面实物验证向仿真设计转变，减少了大量实物地面试验，有效提高了设计效率。

▲ 捷龙三号火箭转运途中

海上热发射力克难关

本次捷龙三号火箭任务实现了中国火箭从海上冷发射到海上热发射的跨越。

火箭海上发射具备多重优势。一是海上发射平台可机动部署，比如选择在靠近赤道的海域进行发射，最大限度地利用地球自转速度，将火箭送入轨道，增加火箭的有效载荷，相当于节省了火箭的燃料。二是海上发射的射向范围宽，火箭残骸可溅落在海面上，避开城市等人口聚集区，航落区安全性好。

当前，海上发射安全、灵活、高效的优势已通过国产不同型号火箭得到检验，海上发射或将更加常态化。更加专业的中国海上发射船正在建设，力争实现一次出海多次发射。海上固定发射平台正在并行论证，可持续降低海上发射对火箭的要求，通过“固定+机动”模式，大幅提高海上发射的经济性和灵活性。不仅如此，中国火箭公司还在积极探索液体火箭海上发射能力，真正实现“冷热兼备”“固液兼容”“固定+机动”“一次出海多次发射”等更加完备的海上发射能力。

第二，发展格局不协调。就绿色矿山数量来说，目前共有661家绿色矿山试点单位，且只有不到1/3达到国家级绿色矿山条件，与全国7万座左右矿山相比明显太少；就区域分布结构来说，绿色矿山试点分布不甚合理，见图1、图2。

那么“冷”“热”该如何区分呢？所谓“冷发射”，是指火箭先从发射筒中被弹射出来，随后在半空中点火起飞，火箭的高温尾焰不会烧蚀发射平台，长征十一号火箭就采取了这种发射方式。所谓“热发射”，则是火箭直接从发射平台上点火起飞，没有弹射过程，我国绝大多数火箭采取这种发射方式。

从表面上看，海上热发射比海上冷发射少了弹射环节，似乎更简单，实则不然。火箭直接点火会产生强大的反作用力，影响稳定性，火箭高温尾焰也考验着发射船和发射设备的承受能力，这些难题要如何解决呢？

在观看捷龙三号火箭首飞任务视频时，细心的观众可能会发现，火箭在起飞之前被一个长方体“笼子”包着，这个“笼子”就是导向式框架。海上风急浪高，如果不依靠外力支撑，火箭很难稳稳地立在发射船上。因此，冷发射时，发射筒支撑着火箭的稳定；热发射时，依靠导向式框架把火箭“扶住”，就不会因海况造成火箭失稳翻倒。

为解决火箭海上热发射时的高温承受难题，研制人员在发射船尾部单独增加了长15米、宽10米的发射支撑平台。在该平台的作用下，火箭尾焰从由上到下排导转变为向水平两侧排导，大幅度降低了火箭尾焰对发射船和发射设备的影响。

不仅如此，研制人员还给发射设备上了第二重保险——针对核心元器件，增加防护层；在承受热流密度大的部位，增加防护钢板。最终目标是，在火箭发射后，设备的主体结构不受影响，简单维护后就能再次执行任务。

既然海上热发射有诸多难题需要突破，为何还要尝试？因为相比海上冷发射，海上热发射的经济性更高，导向框架显然比发射筒更节约成本，而且一次性消耗品更少，可以说实现了价值最大化。随着捷龙三号火箭海上热发射成功，我们有望看到更多型号的火箭在这方面作出尝试。

商业需求促使全面升级

随着人们对空天信息的需求日益增长以及商业航天蓬勃发展，火箭面临着低成本、大规模快速组网发射的新要求。中国火箭公司采用商业化模式和技术经济一体化思路，在长征十一号火箭的基础上实现系列化发展，打造出捷龙三号火箭，致力于为低轨卫星提供低成本、批量化、高频次的发射服务。

▲ 捷龙三号火箭发射前被“笼子”包住

▲ 工作团队为火箭首飞成功付出大量心血

▲ 捷龙三号火箭整流罩加工现场

最大限度地贴合商业使用需求，是做好一型商业火箭的基本出发点。捷龙三号火箭的首要指标是高性价比，尽可能控制火箭制造和发射成本，整箭发射服务每千克载荷价格不超过1万美元。

成本控制不容易，研制团队做了诸多管理模式上的创新。首先，以目标成本为第一约束条件，开展方案和成本的迭代优化，按照“成本最优、工艺最简、流程最短”的原则，确定技术方案。第二，探索形成以差异化管理为核心的商业火箭质量管理新模式，针对不同等级产品、流程、风险，分别制定不同级别的质量管理策略。第三，通过批量化生产、优化生产流程、缩短发射链条、战略合作共赢等一系列措施，降低火箭生产和发射成本。

产品通用化模块化也是降低成本的有效手段。研制团队大幅应用长征系列火箭技术及大量仿真技术，实现了单机、工装、设备、设施等在一定程度上的通用，进一步降低部件成本，缩短箭体出货周期，应对市场商业发射“缺口”。

此外，履约周期短也很重要。研制团队主要做了两方面的工作：一方面，通过火箭箭体去任务化、飞行软件诸元化等设计理念，服务于火箭批量化生产；另一方面，针对星箭相关工作“短线”，采取星箭快速集成化设计和并行工程等设计方法，有效突破关键瓶颈。如此一来，可将履约周期压缩至3～6个月。

总之，捷龙三号火箭从立项研制到成功首飞用时仅20个月，这意味着中国火箭公司探索出了商业火箭快速研制新模式。据悉，中国火箭公司将开启山东海阳总装测试厂房二期工程建设，计划在2023年年底达到年产20发火箭的生产能力和3发火箭的周转贮存能力。

捷龙三号火箭立项之初就被打上了商业化“烙印”。在市场开发过程中，中国火箭公司与客户建立了定期洽谈机制，同优质客户建立了战略联盟关系；进入发射服务阶段，该公司发挥强大的市场资源和售前能力，强化与卫星方的协同设计；在卫星星座论证阶段，该公司充分利用捷龙三号火箭和长征二号丙火箭、长征十一号火箭等，为卫星方提供灵活、经济、高效的一体化发射方案，提高卫星组网效率，降低发射费用。

围绕捷龙三号火箭，中国火箭公司还进行了一系列品牌增值服务的探索，如箭体广告、品牌联名、科普教育、文旅文创等。

捷龙三号火箭首飞成功，进一步完善了相关固体火箭型谱，500千米太阳同步轨道运载能力覆盖200千克～1.5吨，整流罩直径覆盖1.2米～3.35米，运载能力梯度更加合理。同时，通过去任务化设计、批量化生产、集成化服务、一体化发射，能够为卫星客户提供更加安全、灵活、经济、高效的发射服务。

未来，研制团队将持续开展捷龙三号火箭的优化升级工作，进一步紧扣当前乃至未来低轨卫星低成本、批量化、高频次发射需求，确定火箭的性能指标、使用模式。比如，通过结构减重来提升运载能力，更换液体上面级而提高发射适应性等，争取为商业卫星客户提供更加优质、廉价的发射服务。

捷龙三号火箭并不是该系列的“终点”，中国火箭公司正在论证具有更大推力的捷龙四号火箭，其500千米太阳同步轨道运载能力将达到2.5吨。研制团队将通过固体发动机的模块化组合、箭上电气系统和地面测发控系统的统型等措施，降低研制成本，增强市场竞争力，更好地满足卫星客户的多样化需求。