中國航天60周年（一）：登天有路箭為梯

中國航天60周年（一）：登天有路箭為梯

編者按：

從1970年至今，我國已先后發射了長征-1～4、6、7、11火箭。截至2016年9月底，我國發射了200多個航天器，目前在軌運行150余個，形成了載人航天、深空探測、導航定位、對地觀測、通信廣播、空間科學與技術試驗等六大領域航天器研制業務，取得了顯著的政治、科學、技術、經濟、國防等效益。2016年10月8日是中國航天事業創建60周年紀念日，籍此之際，本刊特推出紀念中國航天事業創建60周年專題，在今年第9期和第10期分別介紹我國運載火箭、人造衛星、載人航天、深空探測四大航天科技領域的發展，以饗讀者。

“長征”系列火箭

1　引言

工欲善其事，必先利其器。開發太空需用航天器，但航天器離開地面需用運載器克服地球引力。目前，最常用的運載器就是運載火箭，這一“通天塔”的“絕招”是自帶推進劑，而不需大氣層中的氧氣來助燃，因此可在太空自由飛翔。航天飛機也是一種運載器，但因太貴和風險大，現已退役。

運載火箭的能力決定了一個國家航天活動的規模。因此，世界各航天大國均把發展先進的運載技術作為保持其領先地位的戰略部署之一，我國也不例外。

幾十年來，通過幾代航天人的不懈努力，我國“長征”系列火箭走過了從常溫推進到低溫推進、從串聯到捆綁、從“一箭一星”到“一箭多星”、從發射衛星到發射載人飛船、空間探測器的技術歷程，具備了發射低、中、高不同軌道，以及不同類型和不同質量航天器的能力，基本能夠滿足不同用戶的需求。

我國“長征”火箭現有3個成熟子系列共1 0多種型號，主要包括用于發射低軌道航天器的長征-2子系列；用于發射極軌道航天器的長征-4子系列；用于發射高軌道航天器的長征-3子系列。對應這3種典型軌道，“長征”的運載能力分別為0.2～9.5t、0.4～3.1t和1.5～5.5t。另外，我國近年又開發出新一代小型、中型、大型運載火箭。

2015年9月至今，我國又首射了長征-6、11、7新一代小、中型運載火箭，最多一次發射20顆小衛星。

截止到2016年9月15日，“長征”火箭共進行了236次發射，其中包括5次發射載人飛船和4次發射月球探測器。此外，我國還研制和發射過“風暴”、“快舟”等運載火箭。

長征-1火箭整裝待發

2　低軌系列

1970年4月24日，我國成功用自行研制的長征-1運載火箭發射了第1顆人造地球衛星東方紅-1，使我國成為世界上第5個用自制火箭發射自制人造衛星的國家，衛星的質量比前面4個國家發射的第1顆人造地球衛星質量的總和還多。這一數字表明，當時我國的運載火箭已達到了一定的水平，奠定了“長征”系列火箭發展的基礎。

長征-1

長征-1是3級火箭。其第1級、第2級采用了發射我國遠程戰略導彈相同的液體火箭；第3級則是新研制的固體火箭。該火箭能把300kg的衛星送入近地軌道，為我國多級火箭技術的發展奠定了全面技術基礎，掌握了多級火箭穩定和姿態控制技術等。由于運載能力較小，長征-1現已不用了。

長征-2

長征-2子系列主要用于發射質量較大的近地軌道航天器，我國先后投入使用了長征-2、2C、2D、2E、2F等。

長征-2火箭是一種以遠程彈道導彈為原型進行研制的2級火箭，能把2.1t的衛星送入距地面數百千米的橢圓形軌道，1975年11月26日，它完成了中國第1顆返回式衛星的發射任務。

長征-2C

長征-2C是長征-2改進型，采用了大推力液體火箭發動機，增加了箭長，近地軌道運載能力增加到3.8t，火箭的可靠性也大大提高，是此后“長征”系列火箭發展的基礎，主要用于發射近地軌道衛星，成功率很高，被授予“全國質量金質獎”。

長征-2D

長征-2D是在長征-2的基礎上采取增加推進劑加注量的方法增大起飛推力，運載能力為3.3t。

長征-2E

1990年7月16日首發成功的長征-2E是我國第一種并聯式（又叫捆綁式）火箭。其芯級是長征-2C的又一改進型，并在第一級捆綁了4個助推器，使近地軌道運載能力達到9.5t。長征-2E/ETS火箭是在長征-2E的第2級上安裝一個固體上面級—ETS，曾用于發射澳大利亞、香港和美國的大型通信衛星。該火箭現已退役。

長征-2F

長征-2F是我國第一枚載人運載火箭，運載能力8 t。它是在長征-2E基礎上廣泛采用了冗余設計，提高了元器件等級和篩選標準，結構設計提高了剩余強度系數，發動機也進行了旨在提高可靠性的設計，并增加了故障檢測處理和逃逸系統，以保證航天員的安全，使火箭可靠性從長征-2E的91%提高到97%，航天員的安全性達到了99.7%。從而在功能、性能、可靠性和安全性方面全部達到了載人運載火箭的要求。

裝有逃逸塔的長征-2F載人火箭

為保證航天員的安全，長征-2F取消了自毀功能。為保證火箭飛行穩定性、贏得逃逸時間和提高逃逸成功率，火箭增加了尾翼。它還采用了“垂直總裝、垂直測試、垂直運輸”（簡稱“三垂”）方式，大大節省了發射準備時間。

3　極軌系列

長征-4子系列火箭是3級常溫運載火箭，用于發射極軌衛星，其中長征-4A的極軌衛星運載能力1.6t；在其基礎上發展的長征-4B的極軌衛星運載能力2.8 t；長征-4C是從長征-4B改進而來的，其三級發動機具有二次啟動能力，極軌衛星運載能力3.1t。

組裝長征-4B火箭

它們的各級都采用四氧化二氮和偏二甲肼作推進劑，主要用于發射資源衛星、氣象衛星、海洋衛星、高分衛星等極軌遙感衛星。

4　高軌系列

長征-3子系列火箭是為發射我國的地球靜止軌道通信衛星而研制的，包括長征-3、3A、3B、3C。其特點是：①都是3級液體火箭，且第3級都采用液氧/液氫作推進劑，第3級的貯箱都是低溫共底貯箱。②第3級發動機可以多次啟動。③可以直接將有效載荷送入地球同步轉移軌道。

長征-3

長征-3火箭因1990年4月7日發射亞洲-1而聞名于世，實現了我國火箭國際商業發射服務零的突破。該火箭是在長征-2C運載火箭的基礎上，加裝了以液氫/液氧為推進劑且具有高空二次啟動能力的低溫上面級，地球同步轉移軌道運載能力1.5t。它使得我國成為世界上第3個掌握低溫高能推進技術和第2個掌握低溫發動機高空2次點火技術的國家。

長征-3A

1994年2月8日，長征-3A火箭首次發射成功。它是在長征-3的基礎上，采用了經改進的第3級低溫發動機，并攻克了數字化小型控制系統等四大關鍵技術，可將2.6 t有效載荷送入地球同步轉移軌道，采用東方紅-3衛星平臺的衛星都由它發射的，包括嫦娥-1月球探測器等。

長征-3B

長征-3B是目前我國發射高軌道航天器的“大力士”。它是在長征-3A的第1級箭體上捆綁了4個助推器，而且加長了第2級，增加了20t推進劑。該火箭可將5.5t有效載荷送入地球同步轉移軌道，是目前我國發射國內外地球靜止衛星的主力火箭，曾先后把菲律賓的“馬部海”衛星、亞太星-2R、中衛-1、尼日利亞通信衛星-1、委內瑞拉衛星-1、中星-11、嫦娥-3落月探測器、亞太-9和天通-1等送上太空。

長征-3B火箭升空

長征-3C

2008年開始使用的長征-3C是在長征-3A火箭上捆綁有2個助推器，是我國第1種非全對稱火箭。其地球同步轉移軌道運載能力介于長征-3A和長征-3B之間，為3.8t。它填補了我國高軌道運載能力的一個空白，從而真正形成火箭運載能力系列化。

我國“長征”火箭發射的第一個100次歷時37年，成功率93%；第二個100次僅歷時7年，成功率98%，可靠性與歐洲“阿里安”火箭并列世界第一。

在珠海航展上展出的我國多星發射上面級

5　上面級

2015年，我國首個“太空擺渡車”—遠征-1上面級成功實現了首飛。

上面級是一種能夠進一步將航天器從準地球軌道或地球軌道送入預定工作軌道或預定空間位置的小火箭。它可多次啟動，工作時間長，能先后把不同“乘客”送到不同目的地，大大增強了我國運載火箭的任務適應性。

2015年3月30日，我國首個自主研發的4級火箭—長征-3C/遠征-1首飛，成功發射了1顆“北斗”導航衛星。它是在原本3級的長征-3C火箭上面增加了遠征-1上面級，從而變成4級火箭。以往的3級火箭只能將衛星送至轉移軌道，即衛星軌道是橢圓形的，衛星上天后需要靠自身發動機和燃料變軌為圓形軌道。而改進后的4級火箭則可以直接將衛星發送至距離更為遙遠的目標軌道，衛星不需要再變軌了，從而能大大節省燃料甚至取消遠地點發動機。一般的3級火箭只能飛行0.5h左右，而裝有遠征-1上面級的4級火箭可飛行5～6h，能飛到幾萬千米的外太空。

2015年7月25日，長征-3B/遠征-1火箭實現了“一箭雙星”發射，把2顆“北斗”導航衛星直接送入目標軌道。

2016年6月25日，我國長征-7首飛，搭載了遠征-1A上面級。其在軌飛行時間從遠征-1的6.5h延長至48h，主發動機由2次啟動增加至20次啟動，分離次數由1次增加至7次。所以，它可把更多的“乘客”送到不同的地點，變軌能力大大增強，拓展了擺渡車的服務功能，通過多次點火工作，可適應更多復雜的路線。

我國還在研制更先進的遠征-2上面級，將用于長征-5新一代大型運載火箭。

6　新一代

從2015年起，我國開始陸續發射新一代小型、中型和大型“長征”系列火箭。

長征-6

2015年9月20日，首次升空的我國新一代小型液體火箭長征-6把20顆衛星送入預定軌道。它是我國研制的全新3級液體火箭，可將1t的有效載荷發射到700km高度太陽同步軌道，具有推力大、無毒無污染、發射準備時間短等特點，其成功為我國后續新型捆綁式運載火箭發展奠定了基礎。

長征-6第1級直徑為3.35m，采用了1臺首次使用的最大推力為120t的液氧/煤油發動機；第2、3級直徑均為2.25m， 分別采用1臺液氧/煤油發動機和1臺常溫推進劑發動機。

采用“三平”技術的長征-6新一代小型液體火箭

它采用“三平”測發模式，即水平整體測試、水平整體星箭對接、水平整體運輸起豎發射，發射準備周期僅需7天，有力的適應衛星發射低成本、短周期的需求。20顆小衛星被分成了3層像金字塔般地分別排列，被長征-6帶上太空后分4次釋放，每次釋放只間隔幾十秒的時間。

長征-11新一代小型固體火箭發射示意圖

長征-11

2015年9月25日，我國長征-11火箭將4顆小衛星送入預定軌道。它是我國全新研制的4級固體小型運載火箭，可把350kg的有效載荷發射到700km高度太陽同步軌道，低軌道運載能力可達700kg。作為“長征”家族中第一型和唯一型固體火箭，長征-11具有“快速、可靠、便捷、低廉”的優勢，實現了我國運載火箭24h快速發射的跨越，主要用于滿足自然災害、突發事件等應急情況下微小衛星發射需求。

長征-7

為了適應運載火箭的發展方向，近年來我國按照“無毒、無污染、低成本、高可靠、大推力、適應性強、安全性好”的目標，研制了新一代中、大型運載火箭長征-7、5，其中，長征-7于2016年6月25日首次發射成功。

長征-7是我國新一代中型運載火箭，采用兩級半構型。它利用了長征-2F的成熟技術，在大體不變情況下換成新研制的液氧/煤油發動機。其主要的4個優點有：一是提高了火箭的運載能力，120噸級液氧/煤油發動機比沖比常規發動機提高了20%，推力比現有“長征”發動機提高了60%以上，把我國火箭的近地軌道運載能力由8.5t一下提高到13.5t。二是推進劑綠色環保，燃燒后只產生二氧化碳和水。三是推進劑便宜，平均成本僅為常規推進劑的1/10強。四是今后可重復使用。

在轉運至發射區途中的新一代中型運載火箭長征-7

其基本型總長53.1m，起飛質量約597t，起飛推力720t，近地軌道運載能力13.5t。其芯一級直徑為3.35m，裝有2臺單臺推力為120t的雙擺液氧/煤油發動機；芯一級并聯了4個直徑均為2.25m的助推器，每個助推器裝有1臺單臺推力為120 t的單擺液氧/煤油發動機；芯二級直徑為3.35m，裝有4臺單臺推力為18t的雙擺液氧/煤油發動機。整流罩直徑4.2m。

長征-7是我國首枚采用全數字化手段研制的火箭，在全研制流程中沒有一張紙質圖紙，大大降低了成本，減小了產品報廢率，縮短了研制流程。在試驗、裝配階段，應用了“虛擬現實技術”，對火箭進行了虛擬裝配和試驗，真實模擬了火箭實際裝配和試驗環境，提前預見了可能發生的問題，確保了火箭試驗、裝配“一次成”。它還有防水、防風、防鹽霧等功能，可以在8級大風的情況下進行垂直轉運，抗風能力為目前“長征”家族之最；中雨時也能發射。

以長征-7基本型火箭為基礎，通過調整助推器個數、增加固體助推器、增加上面級和增加氫氧三子級等，可實現新一代中型運載火箭的系列化， 能研制太陽同步軌道運載能力為5.5t和地球同步轉移軌道運載能力為7t的中型運載火箭，承擔國內外主流衛星的發射任務。由于其直徑為3.35m，所以在我國4個發射場都能發射。它將主要用于發射貨運飛船，預計到2021年火箭各項技術趨于成熟穩定時，將逐步替代現有的長征-2～4系列，承擔我國80%左右的發射任務，包括發射載人飛船等。

長征-5

火箭的運載能力有多大，航天的舞臺就有多大。定于2016年11月首次發射的長征-5子系列火箭可與國外主流運載火箭的水平持平，能大大提升我國進入空間的能力，提供多樣化的發射服務活動。

長征-5是我國新一代大型運載火箭。該子系列火箭由二級半構型的基本型、不加第二級的一級半構型長征-5B運載火箭以及添加上面級的長征-5/遠征-2運載火箭等型號組成。其近地軌道運力覆蓋1.5～25t，地球同步轉移軌道運力覆蓋1.5～14t，運載能力大幅度提高；使用無毒無污染推進劑；采用“通用化、組合化、系列化”設計，以降低成本；通過采用比傳統火箭普遍少一級的一級半或二級半構型，以提高火箭固有的可靠性；擁有完整的運載能力覆蓋范圍。中國未來的探月三期工程、“天宮”空間站、大型人造衛星及其他深空探測的實施等都將使用該系列火箭。

長征-5基本型是帶助推器的兩級半火箭，全長約56.97m，起飛質量約869t，起飛推力約1078t，用于執行嫦娥-5發射任務。其芯一級直徑為5m，裝有2臺可雙向搖擺、推力均為50t的氫/氧發動機；芯一級并聯了4個直徑均為3.35m的助推器，每個助推器裝有2臺推力均為120t的液氧/煤油發動機，其中l臺為擺動發動機。芯二級直徑為5m，裝有2臺推力均為9噸級的氫/氧發動機，它們是由長征-3A第三級氫/氧發動機改進而來，發動機可雙向擺動，能兩次起動。其整流罩長12m，直徑5.2m。該火箭的地球同步轉移軌道運載能力為14t，其綜合性能指標將達到國際上主流運載火箭水平。

在長征-5基礎上，我國還在研制未來用于發射我國20噸級空間站艙段的長征-5B火箭。它為帶助推器的一級半火箭，全長53.7m，起飛質量837.5t，起飛推力約1078 t，近地軌道運載能力大于22 t。它是在長征-5基本型的基礎上取消了芯二級，首次采用了前捆綁點傳力、助推器支撐狀態；采用了芯級和助推器發動機聯合搖擺進行全箭姿態控制；采用蓄壓器進行全箭縱向耦合振動抑制設計；整流罩長20.5m，直徑5.2m。

長征-5新一代大型運載火箭定于2016年11月擇機發射

長征-5/遠征-2為帶助推器的三級火箭。它是在長征-5基本型的基礎上增加了遠征-2上面級作為第三級。它用于執行地球靜止軌道衛星、“北斗”中圓軌道衛星等發射任務。

長征-5系列運載火箭將大大提升我國進入空間的能力，并為我國航天提供了多樣化的發射服務活動。例如，長征-5火箭將執行探月三期月球轉移軌道和深空探測等發射任務；長征-5B火箭用于把20噸級空間站艙段發射到近地軌道；采用長征-5/遠征-2可發射大型地球靜止軌道衛星、“北斗”中圓軌道導航衛星等。從理論上講，還可以采用長征-5火箭研制技術，捆綁6個3.35m直徑助推器，形成更大的運載能力。

長征-5、7都在新建的海南文昌航天發射場發射。該發射場地緣優勢明顯：①有射向范圍寬的優勢；②火箭航區、殘骸落區安全性好；③具備低緯度的優勢；④可以通過海運將火箭運過來。其年發射能力可達10～12發。

7　展望未來

長征-8

據悉，長征-8已開始論證，它是一種新型極軌火箭，由長征-7第一級和長征-3A第三級組成，可并聯2或4個助推器，用來替代長征-4子系列火箭，從而將原來的三級半構型改為兩級半構型。

長征-9

中國航天科技集團公司2016年6月27日透露，我國長征-9重型運載火箭已完成深化論證。在目前的設計藍圖中，重型運載火箭箭體直徑近10m，全箭總長近百米，運載能力是現有火箭運載能力的5倍多，完全可以滿足未來載人月球探測、火星取樣返回、太陽系行星探測等多種深空探測任務需求，保障中國在未來宇宙探索和更大更遠空間的話語權?，F計劃通過4、5年的時間，突破一系列關鍵技術，為重型運載火箭工程研制打下基礎。如果相關工作進展順利，15年內有望實現首飛，這將大幅提升中國自主進入空間的能力。重型運載火箭是指火箭起飛推力在3000t上下，近地軌道運載能力在100t左右的火箭，主要用于載人登月任務、載人火星飛船、太空電站等超大型航天器等。

2016年8月1日，由中國航天科技集團公司六院為重型運載火箭研制的500噸級液氧/煤油發動機首次燃氣發生器-渦輪泵聯動試驗取得成功，這標志著該型發動機研制工作取得首個里程碑式勝利，為后續圓滿完成關鍵階段研制任務奠定了基礎。

2016年8月2日，由中國航天科技集團公司四院自主研制的我國直徑最大、裝藥量最大、推力最大的固體火箭發動機—民用航天3m 2分段大型固體火箭助推發動機地面熱試車圓滿成功。未來，該發動機將應用于重型運載火箭固體助推器中。

其他火箭

2015年11月下旬，中國航天科技集團公司一院研發中心完成了運載火箭子級回收群傘空投試驗，這標志著我國運載火箭在部段回收技術上取得了新的進展，離實現可重復使用又近了一步。該院擬采用降落傘垂直下降方案來回收火箭。未來，火箭的芯一級還將增加“返航”設計，通過攜帶供自身返回的燃料，自主飛回預定區域，以備重復利用，從而降低運載火箭的發射成本。在2016年4月24日的首個“中國航天日”那天，中國航天科技集團公司一院研發中心表示，我國在研的可回收重復利用火箭在“十三五”期間有望看到成果。

2015年，中國航天科技集團公司五院502所成功研制出我國首個磁聚焦霍爾電推進系統，其較國外同類產品在比沖、效率等方面性能指標可提升20%以上，可廣泛應用于我國未來的全電推進通信衛星平臺。同年，中國航天科技集團公司五院510所研制的首個衛星用200mm離子電推進系統地面壽命及可靠性試驗累計工作時間已超過11000h，已在軌可靠運行15年，目前還在試驗中。這標志著我國電推進系統達到國際先進水平，將全面邁入工程應用階段，能夠滿足我國通信衛星系列平臺、高軌遙感平臺以及空間探測器的發展需求。

中國航天科技集團公司一院研發中心進行運載火箭子級回收群傘空投試驗

另外，我國“組合動力飛行器”項目已經開始研制。它是一種集成渦輪發動機、沖壓發動機、火箭發動機等多種動力的飛行器。根據設計，它在起飛時會使用普通飛機所配備的渦輪發動機，當飛行器達到一定速度后，再使用適應高速飛行的沖壓發動機進行沖刺，最后在大氣稀薄的地方點燃火箭發動機，實現入軌。通過多種發動機“各司其職”，即在距離地面幾十千米的大氣層以內，組合動力飛行器可利用大氣層中的氧氣完成飛行；進入太空之后，再使用不依賴空氣的火箭發動機，這樣就大大降低了進入太空的成本。未來它將主要應用于距離地球幾十千米到幾百千米的太空飛行。預計，我國“組合動力飛行器”將于2030年左右投入使用。

司馬/文

Launch Vehicle: a Convenient Access to Space