長三甲系列火箭發射研制技術

劉立東，張亦樸，李 聃，胡 煒，賈大玲

（北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

0 引 言

自1994年2月8日，長征三號甲（CZ-3A）系列火箭一箭雙星發射實踐四號衛星和模擬星首飛成功以來，CZ-3A系列火箭型號已經走過了輝煌的25年，在探月工程、北斗工程和國際商業發射服務中發揮了重要作用，截至2019年5月，已經完成型號的第101次發射任務，前100次發射成功率達到98%，處于世界一流水平。本文對CZ-3A系列火箭25年來的技術歷程進行總結，對未來的技術發展進行展望。

1 研制歷程

CZ-3A系列研制中，按照“上改下捆、先改后捆、堅持三化、統籌發展”的總體方案，首先研制火箭氫氧三子級構成CZ-3A火箭，作為火箭系列化的第1步，再以CZ-3A作為芯級，捆綁4枚或者2枚助推器，形成長征三號乙（CZ-3B）和長征三號丙（CZ-3C）火箭。

1986年2月，中國新一代通信衛星工程正式立項，CZ-3A作為工程配套的火箭也正式啟動研制工作，在充分繼承長征三號（CZ-3）火箭成熟技術的基礎上，突破了以大推力氫氧發動機、動調陀螺四軸平臺、冷氦加溫增壓和氫氣能源雙擺伺服機構四大關鍵技術為代表的上百項新技術項目，使得中國運載火箭技術跨上一個新臺階；同時也使得中國火箭地球同步轉移軌道（Geostationary Transfer Orbit，GTO）運載能力達到了2600 kg，提升了中國運載火箭在國際衛星發射市場上的競爭力。

以CZ-3A火箭為基礎，上改下捆，研制了CZ-3B火箭，標準GTO發射能力達到5500 kg。盡管在1996年2月15日首飛發射國際708衛星失敗，但完成全面的質量整頓和徹底歸零后，CZ-3B圓滿完成了以馬部海通信衛星、亞太二號R通信衛星、中衛一號通信衛星、鑫諾一號通信衛星為代表的多項國外商業衛星的發射任務，在國際商業發射市場中占據了一席之地。CZ-3B火箭及其各種改進構型是 CZ-3A系列火箭的主力火箭，主要發射高軌軍事通信衛星、商業通信衛星、北斗二號的中地球軌道（Medium Earth Orbit，MEO）衛星、北斗三號衛星和風云四號氣象衛星等。2013年12月2日，CZ-3B火箭將嫦娥三號探測器送入太空，為探測器月面軟著陸，開展月面就位探測與自動巡視探測奠定了堅實基礎。2018年12月8日，CZ-3B火箭將嫦娥四號探測器送入太空，實現了人類首次月背軟著陸。截止到2019年5月，CZ-3B火箭共發射57次。

2008年4月25日，CZ-3C火箭成功發射天鏈一號01星圓滿成功，標志著中國突破了非全對稱火箭設計技術，使得中國高軌任務運載能力分布更加合理，實現了CZ-3A系列火箭真正的系列化、組合化。CZ-3C火箭標準地球同步轉移軌道發射能力達到3700 kg。截止到 2019年5月，CZ-3C火箭共發射17次，全部獲得圓滿成功。

2 CZ-3A系列火箭構型現狀

截至目前，CZ-3A系列火箭家族包括共10個子構型，最終形成構型豐富、梯度合理、模塊通用的CZ-3A系列火箭，目前CZ-3B、CZ-3C和CZ-3B/G1火箭已停止生產，不再提供發射服務。主力在役和在研構型見圖1，截止2019年5月份，各構型發射次數和運載能力見表1。

圖1 CZ-3A系列火箭構型Fig.1 LM-3A Series

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

CZ-3B/G5火箭整流罩全長10 281 mm，殼體最大直徑Φ4200 mm，從上到下由前錐段（含球冠）、柱段、倒錐段組成，具體外形和包絡尺寸如圖 2所示。同時，新研2334A接口衛星支架及包帶。衛星支架是高1400 mm的截錐蜂窩夾層結構，夾芯為鋁蜂窩，外層為碳纖維，上端名義直徑Φ2334 mm，下端直徑Φ2900 mm的截錐體。

為進一步適應衛星的發射需求，CZ-3A系列火箭最新構型CZ-3B/G5火箭擬于2020年發射。通過發射軌道優化設計、新研4200ZL整流罩、控制系統采用迭代+攝動制導方案、應用主動減載技術、采用火箭全方位起飛滾裝定向方案、研制2334A接口衛星支架和星箭解鎖裝置等措施，使得 500 km太陽同步軌道（Sun-synchronous Orbit，SSO）運載能力達到 4500 kg。

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

3 CZ-3A系列火箭發射技術創新成果

技術創新一直以來都是 CZ-3A系列火箭的優良傳統，研制過程中型號突破了四大關鍵技術，使得服役初期的 CZ-3A系列火箭綜合性能達到了國際一流水平，但型號并未就此停止創新的步伐。隨著中國航天事業的發展，結合國家重大工程任務的研制立項，CZ-3A系列火箭不斷創新，自2007年CZ-3A火箭取得“金牌火箭”稱號后，又取得了一系列豐碩的創新成果。

3.1 CZ-3C構型總體技術創新成果

2008年4月25日，CZ-3A系列火箭中的CZ-3C火箭首飛成功，成為中國首個非全對稱火箭，標志著中國突破了非全對稱火箭設計技術。與傳統軸對稱構型運載火箭相比，CZ-3C火箭取得了很多技術突破，其主要技術創新包括：運載火箭外形及總體設計技術，非軸對稱構型火箭發射軌道設計技術，非軸對稱構型火箭氣動設計技術，非軸對稱構型火箭動力學，運動學模型設計技術，非軸對稱構型火箭動特性設計技術，非軸對稱構型火箭分離設計技術，一級尾段結構適應尾翼及助推器安裝設計技術以及運載火箭三通道交連姿態控制技術8個方面。

CZ-3C火箭的首飛成功為中國非軸對稱構型運載火箭的總體設計摸索出了一套有效的設計方法：a）針對非軸對稱構型，姿態控制系統的設計復雜程度大幅增加，CZ-3C火箭在長征系列運載火箭中首次全程采用了三通道交聯解耦的控制方式，極大地提高了運載火箭的適應性；b）CZ-3C火箭采用了系列化、通用化、組合化的設計原則，其箭體結構和絕大部分單機設備可以完全與 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，構成了中國高軌道運載能力最大、適應性最強的火箭群體，進一步提高了中國高軌道運載器對各種有效載荷的任務適應性和選擇的靈活性，增強了長征系列運載火箭在國際衛星發射服務市場的競爭力。

3.2 探月工程中技術創新成果

在探月工程任務實施過程中，針對深空探測任務的特殊需求，CZ-3A系列運載火箭突破了以下幾項重要技術：

a）基于長時間滑行的地月轉移軌道多窗口發射技術。

提出了延長火箭滑行時間、提前加入偏航并加入相反方向程序角等軌道設計新方案，解決了多窗口、多約束條件下空間交匯軌道設計難題；突破了運載火箭全量姿態動力學控制、小邦德數連續沉底、長時間滑行發動機預冷程序等新技術，解決了低溫火箭長時間滑行失重狀態下氫氧推進劑晃動抑制和溫度控制等影響二次啟動的難題；攻克了適應多窗口發射的運載火箭飛行軟件設計難題，在測試發射控制體制和箭地接口不變、各系統測發流程兼容等約束條件下，解決了發射窗口變更后多個飛行軟件的快速變換的瓶頸問題。

b）基于末級鈍化推力變軌的月球借力軌道設計技術。

提出利用末級鈍化推力提供較小速度增量和借用月球引力提供較大速度增量的新方案，解決了末級再入地球帶來的安全性問題；提出了利用火箭末級剩余能量進行軌道修正的設計方案，解決了器箭分離后火箭進行軌道修正需要的能源問題；綜合考慮多類偏差工況，實現了基于月球引力場的器箭遠場安全設計，解決了深空多物體復雜引力場條件下的遠場安全問題。

c）地月自由返回發射軌道設計技術。

主要解決了火箭自身低溫動力系統最短滑行時間不少于200 s的限制，近地點幅角超出范圍的問題，滿足了連續3天發射窗口的要求。

d）運載火箭低溫加注后不泄出推進劑延遲 24 h發射技術。

提出低溫推進劑不泄出條件下的火箭延遲24 h發射總體方案，解決了低溫推進劑加注后可推遲發射時間不適應探月工程準時發射的難題；提出液氫低液位停放和小流量自動補加相結合的氫蒸發量抑制方案，解決了推遲發射期間液氫蒸發量過大的問題；提出了氫氧發動機自流預冷方法，解決了發動機預冷后只能推遲2 h發射的限制問題。

3.3 北斗工程中技術創新成果

北斗工程對運載火箭提出了一型火箭多軌道面組網發射的新要求。需要CZ-3A系列火箭具備高、中軌道高度，東射向、南射向多方向的發射能力。為加快組網速度，減少工程建設成本，運載火箭系統開展了CZ-3B/G1及G4構型火箭的研制，在火箭結構設計、分離技術、環境控制等方面取得了重大技術突破，對其它新型火箭的研制也有重要的借鑒意義。

CZ-3A系列火箭針對北斗工程這一突出特點，開展了有針對性的研制，突破了多項關鍵技術。通過遠距離測發控系統的建設、控制地面測發控系統的冗余設計，提高了測發控系統完成控制系統綜合試驗、出廠測試及靶場發射任務的能力；貯箱射前地面增壓技術確保了射前貯箱增壓的可靠性；連接器自動脫落技術，測試及靶場發射任務的能力；貯箱射前地面增壓技術確保了射前貯箱增壓的可靠性；連接器自動脫落技術，對氣脫供氣系統進行冗余，消除單點故障環節；儀器電纜安裝防水防潮技術的成功應用，解決了目前電纜、電連接器本體無法適應雨季發射的問題，提高了發射的可靠性；連續液位傳感器控制液氧加注技術的成功應用，在中國運載火箭上首次實現了對低溫推進劑加注量的實時、連續控制，對 CZ-3A系列運載火箭高密度發射提供了有力保障，提高了發射適應性和發射可靠性。

4 結束語

CZ-3A系列火箭是中國首個實現系列化、通用化、組合化的火箭，通過持續不斷的技術創新和可靠性成果的工程應用，CZ-3A系列運載火箭的綜合技術性能達到了中國和國際先進水平。后續型號將傳承優秀創新基因、勇于拓展，技術改進和產品換型并舉，研制新一代中型高軌火箭。主要技術特點包括：

a）總體方案應基于模塊化設計、高可靠、綠色安全、智能控制的研制原則；

b）突破火箭總體集成化設計、發動機改進、智慧控制、優化測試發射流程、無人值守、重復使用等關鍵技術，提升火箭的性能；

c）推行子級模塊產品化，從部段、系統、單機、組件等各維度推行產品化，提高產品共用程度；

d）采用電氣系統一體化設計思想，采用自瞄準、箭上自測試方案，簡化測試狀態轉換，提升自動化測試水平；

e）貫徹模塊化和批量生產設計理念，簡化生產制造工藝，推動裝配自動化。