捷龍三號：為商業航天注入新動能

文/劉巖

2022年12月9日，捷龍三號火箭采取海上熱發射方式，在黃海海域的發射船上成功首飛，隨后將14顆衛星送入預定軌道。“捷龍三號”是面向未來衛星星座快速組網發射需求而打造的商業四級固體火箭，突破了多項關鍵技術，具備“一箭20星”的發射能力，綜合發射成本為國內當前最優，必將為國內商業航天發射注入強有力的新動能。

▲ 捷龍三號火箭成功實現國內首次海上熱發射

▲ 捷龍三號火箭整流罩特寫

▲ 捷龍三號火箭箭體不同部位直徑差別較大

固體火箭優勢充分發揮

眾所周知，固體火箭構造相對簡單，具有可靠性高、履約周期短、發射場保障簡便等優勢。捷龍三號火箭則有運載能力強、整流罩包絡空間大、發射方式多樣化、經濟性好、發射效率高、履約周期短等特點，將固體火箭的多方面優勢發揮得淋漓盡致。

公開資料顯示，該火箭全箭總長31.8米，箭體最大直徑2.65米，起飛質量140噸，500千米太陽同步軌道運載能力1.5噸，擁有2.9米直徑和3.35米直徑整流罩，可實現海上發射和陸地車載發射，任務適用性強。

正所謂“動力有多強，航天舞臺就有多大”。捷龍三號火箭使用了國內裝藥量最多、推力最大的高性能纖維纏繞復合材料殼體整體式固體發動機。該發動機直徑2.65米，裝藥量71噸，推力達到200噸，采用了多項新技術，綜合性能達到世界一流水平。

通過技術經濟一體化手段的多管齊下，航天科技集團一院中國長征火箭有限公司（簡稱中國火箭公司）研制團隊在確保產品可靠性的同時，實現了設計成本可控，提高了發動機產品的綜合性能。在本次任務中，捷龍三號火箭首次完成了中國火箭海上熱發射，實現了從海上冷發射到海上熱發射的跨越。

在本次任務中，捷龍三號火箭的外形也被人津津樂道——“頭大脖子細”。原來，捷龍三號火箭箭體最大直徑2.65米，最小直徑僅2米，而研制隊伍采用了直徑3.35米整流罩，相比同規模固體火箭，可為有效載荷提供更大的包絡空間。不過，這種構型給火箭結構載荷設計、飛行姿態控制和復雜的噪聲振動環境設計等方面帶來了很大的麻煩，研制團隊努力為衛星準備了更“舒適”的空間。

捷龍三號火箭一體化測發指揮系統也更加簡潔、智能。據了解，地面測發控系統前后端全面集成在前端測發控制艙和后端一體化指揮控制艙中，系統集成度高，智能化程度高，可以實現筆記本電腦“一鍵式”發射。

本次捷龍三號火箭成功發射，還進一步驗證了生產制造發射一體化的優勢——減少火箭生產制造與發射之間的復雜運輸環節，縮短發射鏈條，大幅提高發射效率。

據悉，捷龍三號火箭的總裝測試工作是在中國火箭公司位于山東省海陽市的固體火箭總裝測試基地進行的，采取批量生產貯存模式。執行發射任務時，開展星箭對接和整流罩對接；經過必要的測試后，火箭整體轉運至海上發射母港（海陽港）上發射船，運輸距離不超過6千米，運輸用時不超過2小時；發射船載火箭運輸至目標海域后，進入發射流程。整個流程用時一般不超過一周，單次發射效率大幅提高，且可實現一周一次的高頻次發射。

值得一提的是，捷龍三號火箭在研制過程中大量采用了“天巽”“天行”“天際”“天象”等自主可控工業軟件，實現了由國外工業軟件向自主可控轉變，由地面實物驗證向仿真設計轉變，減少了大量實物地面試驗，有效提高了設計效率。

▲ 捷龍三號火箭轉運途中

海上熱發射力克難關

本次捷龍三號火箭任務實現了中國火箭從海上冷發射到海上熱發射的跨越。

火箭海上發射具備多重優勢。一是海上發射平臺可機動部署，比如選擇在靠近赤道的海域進行發射，最大限度地利用地球自轉速度，將火箭送入軌道，增加火箭的有效載荷，相當于節省了火箭的燃料。二是海上發射的射向范圍寬，火箭殘骸可濺落在海面上，避開城市等人口聚集區，航落區安全性好。

當前，海上發射安全、靈活、高效的優勢已通過國產不同型號火箭得到檢驗，海上發射或將更加常態化。更加專業的中國海上發射船正在建設，力爭實現一次出海多次發射。海上固定發射平臺正在并行論證，可持續降低海上發射對火箭的要求，通過“固定+機動”模式，大幅提高海上發射的經濟性和靈活性。不僅如此，中國火箭公司還在積極探索液體火箭海上發射能力，真正實現“冷熱兼備”“固液兼容”“固定+機動”“一次出海多次發射”等更加完備的海上發射能力。

第二，發展格局不協調。就綠色礦山數量來說，目前共有661家綠色礦山試點單位，且只有不到1/3達到國家級綠色礦山條件，與全國7萬座左右礦山相比明顯太少；就區域分布結構來說，綠色礦山試點分布不甚合理，見圖1、圖2。

那么“冷”“熱”該如何區分呢？所謂“冷發射”，是指火箭先從發射筒中被彈射出來，隨后在半空中點火起飛，火箭的高溫尾焰不會燒蝕發射平臺，長征十一號火箭就采取了這種發射方式。所謂“熱發射”，則是火箭直接從發射平臺上點火起飛，沒有彈射過程，我國絕大多數火箭采取這種發射方式。

從表面上看，海上熱發射比海上冷發射少了彈射環節，似乎更簡單，實則不然。火箭直接點火會產生強大的反作用力，影響穩定性，火箭高溫尾焰也考驗著發射船和發射設備的承受能力，這些難題要如何解決呢？

在觀看捷龍三號火箭首飛任務視頻時，細心的觀眾可能會發現，火箭在起飛之前被一個長方體“籠子”包著，這個“籠子”就是導向式框架。海上風急浪高，如果不依靠外力支撐，火箭很難穩穩地立在發射船上。因此，冷發射時，發射筒支撐著火箭的穩定；熱發射時，依靠導向式框架把火箭“扶住”，就不會因海況造成火箭失穩翻倒。

為解決火箭海上熱發射時的高溫承受難題，研制人員在發射船尾部單獨增加了長15米、寬10米的發射支撐平臺。在該平臺的作用下，火箭尾焰從由上到下排導轉變為向水平兩側排導，大幅度降低了火箭尾焰對發射船和發射設備的影響。

不僅如此，研制人員還給發射設備上了第二重保險——針對核心元器件，增加防護層；在承受熱流密度大的部位，增加防護鋼板。最終目標是，在火箭發射后，設備的主體結構不受影響，簡單維護后就能再次執行任務。

既然海上熱發射有諸多難題需要突破，為何還要嘗試？因為相比海上冷發射，海上熱發射的經濟性更高，導向框架顯然比發射筒更節約成本，而且一次性消耗品更少，可以說實現了價值最大化。隨著捷龍三號火箭海上熱發射成功，我們有望看到更多型號的火箭在這方面作出嘗試。

商業需求促使全面升級

隨著人們對空天信息的需求日益增長以及商業航天蓬勃發展，火箭面臨著低成本、大規模快速組網發射的新要求。中國火箭公司采用商業化模式和技術經濟一體化思路，在長征十一號火箭的基礎上實現系列化發展，打造出捷龍三號火箭，致力于為低軌衛星提供低成本、批量化、高頻次的發射服務。

▲ 捷龍三號火箭發射前被“籠子”包住

▲ 工作團隊為火箭首飛成功付出大量心血

▲ 捷龍三號火箭整流罩加工現場

最大限度地貼合商業使用需求，是做好一型商業火箭的基本出發點。捷龍三號火箭的首要指標是高性價比，盡可能控制火箭制造和發射成本，整箭發射服務每千克載荷價格不超過1萬美元。

成本控制不容易，研制團隊做了諸多管理模式上的創新。首先，以目標成本為第一約束條件，開展方案和成本的迭代優化，按照“成本最優、工藝最簡、流程最短”的原則，確定技術方案。第二，探索形成以差異化管理為核心的商業火箭質量管理新模式，針對不同等級產品、流程、風險，分別制定不同級別的質量管理策略。第三，通過批量化生產、優化生產流程、縮短發射鏈條、戰略合作共贏等一系列措施，降低火箭生產和發射成本。

產品通用化模塊化也是降低成本的有效手段。研制團隊大幅應用長征系列火箭技術及大量仿真技術，實現了單機、工裝、設備、設施等在一定程度上的通用，進一步降低部件成本，縮短箭體出貨周期，應對市場商業發射“缺口”。

此外，履約周期短也很重要。研制團隊主要做了兩方面的工作：一方面，通過火箭箭體去任務化、飛行軟件諸元化等設計理念，服務于火箭批量化生產；另一方面，針對星箭相關工作“短線”，采取星箭快速集成化設計和并行工程等設計方法，有效突破關鍵瓶頸。如此一來，可將履約周期壓縮至3～6個月。

總之，捷龍三號火箭從立項研制到成功首飛用時僅20個月，這意味著中國火箭公司探索出了商業火箭快速研制新模式。據悉，中國火箭公司將開啟山東海陽總裝測試廠房二期工程建設，計劃在2023年年底達到年產20發火箭的生產能力和3發火箭的周轉貯存能力。

捷龍三號火箭立項之初就被打上了商業化“烙印”。在市場開發過程中，中國火箭公司與客戶建立了定期洽談機制，同優質客戶建立了戰略聯盟關系；進入發射服務階段，該公司發揮強大的市場資源和售前能力，強化與衛星方的協同設計；在衛星星座論證階段，該公司充分利用捷龍三號火箭和長征二號丙火箭、長征十一號火箭等，為衛星方提供靈活、經濟、高效的一體化發射方案，提高衛星組網效率，降低發射費用。

圍繞捷龍三號火箭，中國火箭公司還進行了一系列品牌增值服務的探索，如箭體廣告、品牌聯名、科普教育、文旅文創等。

捷龍三號火箭首飛成功，進一步完善了相關固體火箭型譜，500千米太陽同步軌道運載能力覆蓋200千克～1.5噸，整流罩直徑覆蓋1.2米～3.35米，運載能力梯度更加合理。同時，通過去任務化設計、批量化生產、集成化服務、一體化發射，能夠為衛星客戶提供更加安全、靈活、經濟、高效的發射服務。

未來，研制團隊將持續開展捷龍三號火箭的優化升級工作，進一步緊扣當前乃至未來低軌衛星低成本、批量化、高頻次發射需求，確定火箭的性能指標、使用模式。比如，通過結構減重來提升運載能力，更換液體上面級而提高發射適應性等，爭取為商業衛星客戶提供更加優質、廉價的發射服務。

捷龍三號火箭并不是該系列的“終點”，中國火箭公司正在論證具有更大推力的捷龍四號火箭，其500千米太陽同步軌道運載能力將達到2.5噸。研制團隊將通過固體發動機的模塊化組合、箭上電氣系統和地面測發控系統的統型等措施，降低研制成本，增強市場競爭力，更好地滿足衛星客戶的多樣化需求。