《1 引言》

1 引言

长征三号系列运载火篇,包括由长征三号(CZ3)、长征三号甲(CZ-3A)、长征三号乙(CZ-3B)以及长征三号丙(CZ-3C)四种火箭组成的火箭群体。主要用于发射地球同步转移轨道(GTO)有效载荷,也可以用于近地轨道(LEO)、太阳同步轨道(SSO)以及飞往月球与火星等深空探测有效载荷的发射,是目前我国具有低温推进剂末级、性能先进的高轨道运载火篇,也是商业应用发射的大型主力火箭系列之一。

《2 诞生育景》

2 诞生育景

本世纪70年代中期,为了完善我国的通信系统建设,促进航天与电子技术的发展,中央决定实施我国的卫星通信工程。CZ-3火箭作为此工程的重要组成部分之一,于1975年3月经国务院批准立项,经过9年的艰苦努力,于1984年4月发射我国第一颗通信卫星(DFH-2)成功。这标志我国的首期卫星通信工程系统投入运营。80年代中期,由于国家经济建设的快速发展,原第一期卫星通信工程已经不能潭足卫星通信事业的需要。为此,1986年2月中央决定开展我国第二期卫星通信工程,需要与之配套的性能更好的运载火箭;另外,在此以前的1985年10月,我国已决定将长征火箭投入国际卫星发射服务市场,为了提高长征火箭在国际市场上的竞争能力,同样需要有性能更好的运载火箭。经过充分的论证,CZ-3A火箭于1986年2月正式立项研制,其首要目的是发射我国第二期卫星通信工程中的DFH~3卫星,其次是参加国际卫星发射服务市场的竞争,承担外星发射。经过8年的奋斗,于1994年2月8日将两颗卫星送入预定轨道,首次发射获得圆满成功。在CZ-3A的方案论证与设计过程中,我们坚持了高起点、基本型、大潜力、总体优化的原则。在CZ3A处在研制攻关的同时,我们已经将其发展型火箭CZ-3B和CZ-3C推向了国际市场,使得以腾准国际卫星发射市场为主要目的的CZ-3B与CZ-3C,于1992年4月24日起赢得了第一个外星发射合同,从而使这两种火箭分别于193年2月1日、1995年3月17日正式立项研制。其中的CZ-3B已于1996年2月15日实现首飞,CZ-3C飞行前的研制工作已经完成。到目前为止,CZ-3系列运载火箭除CZ-3C尚未发射外,其余三种火箭均已研制成功,并多次进行了应用发射。

《3 技术方案》

3 技术方案

《3.1 总体与分系统方案概述》

3.1 总体与分系统方案概述

CZ-3系列火箭均为三级或三级半火箭,前者是指CZ-3和CZ-3A,后者是指CZ-3B和CZ-

《图1》

图1 长征三号系列火箭

Fig.1 LM一3 series launch vehicles

 

 

3C。所谓半级,是指助推器。CZ一3A与CZ一3的主要区别是重新设计了高性能的第三级和控制、遥测系统以及安全与外测系统,加长与加强了一、二级。CZ-3B与CZ-3A的主要区别是增加了4个液体助推器,加强加长了箭体, 加大了星罩。而CZ一3C相对于CZ-3B的主要区别是少了两个助推器。四种火箭的外形见图1, 主要总体参数及性能见表1[1-3]

四种火箭中的CZ-3由箭体结构、动力、控制、遥测、外测安全、滑行段推进剂管理与威态控制发动机、分离、附加等8个分系统组成。另外三种火箭除此之外还有低温推进剂利用系统,即由9个分系统组成。火箭结构的总体布局大致相同,其中CZ-3A、CZ3B的布局具有代表性,详见图2。全箭从尾段至星罩可分18一22个大小不同的部段,由

《表1》

表1 CZ~3系列火箭主要总体参数与性能

Table1 Technical specification of LM一3 series launch vehicles

 

 

它们构成完整的火箭箭体结构,全箭结构由助推器、一子级、二子级、三子级和卫星整流罪(简称星罩)组成[4,5]

动力系统由火箭发动机和增压输送系统组成。

《图2》

 

图2 CZ-3A、CZ-3B火箭总体布局

1一整流罩; 2一卫星; 3一卫星支架;4一仪器仓; 5一液氢箱;6一液氧箱; 7一二三级间段; 8一三级发动机; 9一二级气化制箱; 10一箱间段; 11一二级燃料箱; 12一二级游动发动机; 13一二级主发动机; 14一一二级级闭杆系; 15一一级氧化剂箱; 16一一级燃料制箱; 17一一级发动机; 18一稳定翼; 19一助推器头锥; 20一助推器氧化剂箱; 21一助推器燃料剂箱;22一助推器发动机

Fig.2 LM-3A&3B configurations

火箭助推器与一子级采用相同推力的发动机,单台推力为740.4kN。每枚助推器有一台发动机,-子级发动机由4台单机些联组成。这4台发动机可以切向播摆,最大摆角士10「。动力输送系统采用自生增压方案。

二子级由1台主机和4个喷管构成的游动发动机组成,总推力为789.1kN,也采用自生增压方案。游动发动机切向摆动,最大摆角土607。

火箭的一、二子级采用NOWUDMH作为推进剂。

CZ-3系列火箭的三子级采用了两种氧氧发动机,即YF-73与YF-75。前者用于CZ-3,后者用于CZ-3A、CZ-3B与CZ-3C。其中YF-73由一台涡轮沧带动4个燃烧室,切向播摇士20“,是我国第一台研制成功的氢氧发动机。而YF75的性能较YF-73有了较大提高,可双向播摆,最大摆角士4“,混合比可以调节。CZ-3的液氢液氧贮箱均采用了自生增压与常温氮气补压相绪合的技术方案;CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C的液氢箱增压方案同CZ-3,而液氧箱则采用了冷氨加温增压与常温氮气补压相结合的方案。

CZ-3的控制系统采用了三轴气浮平台和计算机制导与模拟量姿态控制方案,而CZ-3A、CZ-3B与CZ-3C则采用了小型四轴惯性平台、数字式威态控制、电子程配、工具误差实时补偿,大姿态角运动条件下俯仰、偷航、滚动三波道交连解糯双偏差控制等新技术。还实现了小型化设计,其仪器、设备数量比CZ-3减少了30%,种类减少丁44%,第三级仪器设备的质量减轻了约66%[1,2]

CZ-3采用了低码率、混合调制的P波段遥测系统,而CZ~3A、CZ-3B、CZ-3C采用了高码率、全编码、可编程的S波段遥测系统,其篇上设备实行了小型化。每种火箭的遥测参数在450一700个之间。

四种火箭均采用了外弹道测量和安全控制合一的技术方案,但CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C实现了小型化与轻质化设计,其二、三子级的仪器设备总质量比CZ-3分别况轻了52.6%和55.7%[1]

三子级滑行段的推进剂管理与姿态控制,采用了一套肴类单组元挤压输送、可多次启动的小发动机系统。CZ-3使用的是NuHl,而CZ-3A、CZ一3B、CZ一3C使用的是低冰点的DT-3单组元推进剂[1]

在CZ-3A、CZ一3B以及CZ3C的三子级设有一套低温推进剂利用系统,由箭上控制机、波位传感器和调节阀门组成,用以调节发动机混合比,系统简单可靠[1]

分离系统包括助推器分离,一、二级分离,二、三级分离,星南分离,星箭分离等五大部分。分离器件采用了爆炸螺栓、导爆索、固体火箭与弹簧等,其可靠性高达0.999 9[1,2]

附加系统的作用,是完成火箭起飞前上述主要箭上系统之外的辅助任务。主要包括垂直度调整、常温推进剂加注波位和温度测量、星罩空调、防火除湿等部分。

《3.2 典型飞行程序》

3.2 典型飞行程序

CZ-3系列火箭目前均使用西昌卫星发射场。其中除CZ-3在1号发射工位起飞外,其余均在2号发射工位起飞。

以发射地球同步转移轨道为例,火箭起飞后约经1300一1600s,实现星箭分离,将卫星送入预定轨道。四种火箭的典型飞行时序略有差异,详见表2与图3(见彩页1上图)[3-6]

《3.3 设计运载能力》

3.3 设计运载能力

CZ-3系列火箭有较宽广的设计运载能力适应范围,例如:对标准GTO最低为1.4t,最高可达5.0t图4、图5为CZ-3B对应另外两种轨道的运载能力。

《3.4 飞行结果》

3.4 飞行结果

截至目前,CZ-3系列火箭飞行记录如表3[4,7]

飞行结果表明火箭的设计方案正确,技术性能达到以至优于设计值,使用性能良好、质量趋于稚定。现列举如下:

入轨精度  历次发射的卫星实际入轨精度远远高于设计值, 见表4[1,2,7]。其中CZ-3B第二次飞行时因推进剂利用系统故障,使半长轴偏差超过设计值(表中有*者)。

《表2》

表2 CZ-3系列火箭典型飞行时序

Table2 Typical flight sequence of LM一3 series launch vehicles

 

《图4》

图4 CZ-3B火箭SSO运载能力

Fig.4 LM一3B SSO launch capability

《图5》

图5 CZ-3B地球逃逸轨道运载能力

Fig.5 M一3B earth escape orbit launch capability

《表3》

表3 CZ-3系列运载火箭的飞行记录

Table3 LM一3 series flight records

《表4》

 

表4 CZ-3系列火箭发射GTO卫星的实际人轨精度

Table 4 LM一3 series actual GTO injection accuracy

 

运载能力    根据历次飞行中测得的遥测参数, 可计算出对应标准GTO的实际运载能力。统计结果表明,各火箭的实际运载能力比设计值大,见表5[1,2,7]。

力学环境    历次飞行中,实测火箭的低频与高频振动、噪声、冲击等力学环境均在设计范围内, 表明火箭的实际飞行力学环境良好。图6所示为CZ-3B的噪声测量结果[2]

《表5》

 

表5 CZ-3系列火箭标准GTO的实际运载能力

Table 5 LM-3 series actual launch eapability for standard GTO

图6 CZ-3BY2~Y5跨音速段星罩内噪声的遥测结果

Fig.6  Telemetry results of noise inside the fairing during transonic phase for LM一3B fight 2 to fight 5

《图6》

 

 

《4 主要特点》

4 主要特点

《4.1 技术特点》

4.1 技术特点

从技术上看,CZ3系列火箭有以下主要特点:

(1)充分实现了模块化、系列化与整体优化设计,各型号间的继承性好,共用性强。这为本系列火箭具有良好的可靠性、经济性萸定了基础。

(2)技术新、性能先进。由于设计目标高,为了达到总体技术性能指标,在设计与制造过程中,采用了大量的新技术,其中仅CZ-3A就多达99项,使火箭的总体技术性能先进[1,2]。例如:CZ-3系列4个火箭的GTO实际运载能力可从1.5t覆盖到5.2t,而欧洲1个国家联合研制、由6个型号组成的阿里安4型火箭的GTO运载能力只能从1.9t覆盖到4.4t。另外,CZ-3B的运载能力在世界上已正式投入商业发射应用的火箭中仅次于俄国的质子号,列世界第二位;其有效载荷系数(最大运载能力/火箭起飞质量)达1.22%,仅次于日本的H-II和美国的宇宙神火箭, 列世界第三位; CZ-3系列火箭的入轨精度也达到了国际先进水平,这可以从表6所列的阿里安、宇宙神两种西方国家主力火箭入轨精度与表4的对比中得到证实[1,2,8]

(3)难度大。CZ-3系列火箭均采用了氢氧发动机二次启动技术,难度很大。其长细比是我国目前运载火箭中最大的,其中CZ-3B、CZ-3C的长细比已达17.5,仅次于美国的大力神4(20.39),列世界第二位。长细比越大,火箭的弹性自振频率就越低,火箭的弹性与晃动频率就容易交连,姿态控制系统设计的难度也就越大,CZ一3B是世界上第二个最难设计的大型细长火箭。古外,CZ-3A、CZ3B、CZ-3C的冷氮增压技术与蝎旋管束式发动机大喷管的成型焊接技术,也均属当今世界航天领域难度较高的技术。其中冷氨加温增压是我们在世界上第二个完全依靠本国力量研制成功的系统。

(4)适应性强,使用性能好。本系列火箭20次应用发射证明,既可以一箭单星也可以一箭双星发射(如CZ-3A首次发射),既可以发射标准地球同步转移轨道,也可以发射超同步转移轨道(如CZ-3B发射MABUHAY,CHINASAT-1)或低倾角同步转移轨道(如CZ3B发射SINOSAT-1),在飞行中还可以侧向变轨,多次起旋、消旋、调威与定向等。星暑还有分体吊装与整体吊装两种状态,可以较灵活地漾足卫星用户的多种不同使用

 

《表6》

表6 阿里安、宇宙神火箭发射GTO卫星人轨精度

Table 6 GTO injection accuracy of ARIANE and ATLAS launch vehicles

 

 

 

 

要求,受到卫星用户的好评。

(5)经济性能好。由于精心设计与严密科学的工程管理,使火箭的研制成本与经费大为降低,因而有较强的市场竞争能力。例如,CZ-3A与CZ3B的研制经费加起来也不到阿里安5的1.2%,CZ-3B的每次发射服务费约为5000一6000万美元,而阿里安约为7000一8000万美元,大力神约为9000一10000万美元。

《4.2  研制工作特点》

4.2  研制工作特点

从整个研制工作看,有以下主要特点:

(1)充分发扬了“两弹一星“精神。由于CZ一3火箭是我国第一个采用液氢液氧推进剂未级的大型运载火箭,技术难度很大,而我国工业技术基础薄弱,还要求确保成功。面对如此巨大的困难与压力,全体研制工作者发扬了建国初期研制原子弹、导弹和人造卫星那种爱国图强、自力更生、艰苦奋斗、勇攀高峰、大力协同的精神,从1977年12月正式设计开始,经过六年多的艰苦奋斗,攻克了104项新技术,于1984年4月终于依靠自己的力量将CZ-3运载火箭研制成功,使我国成为世界上第二个掌握氢氯发动机高空二次点火与第三个掌握氢氧级火箭技术的国家。随后又经过多年的不懈努力,攻克了108项新技术,研制成功了CZ3A、CZ一3B火箭,使我国运载火箭技术达到了世界先进水平。为此,CZ-3以及CZ-3A和CZ3B均荣获国家科学技术进步特等奖。

(2)采用了系统工程与并行工程管理模式,对研制工作进行科学管理。研制过程中既坚持研制工作的阶段论,又不唯阶段论,允许科学分析、合理运筹,采取必要的交叉作业,并行管理。这样做的结果,缩短了CZ-3、CZ-3A的研制周期1一2年,节约了千万以至数以亿计的经费,效果显著。

(3)直接进入应用发射与市场竞争。一种新型运载火箭的诞生一般要经过几年的研究设计、生产、地面试验与飞行试验等漫长过程。对于商业应用发射的火箭一般还要经过几次成功的试验性飞行后才能进入发射市场。但CZ-3系列火箭没有经过试验性飞行阶段,首次飞行直接进入正式应用或商业发射。这样做主要是出于经费、周期与技术上的考虑,不能说不可取,但应属不得已而为之之列,因为这其中蕴藏着巨大风险。研制工作者们承受了巨大的精神与工作压力,接受了这一严峻挑战,取得了良好成绩。

(4)进行了广泛的风险决策。CZ一3系列火箭的研制过程是历经艰难险阻、不断攀登、不断进取的过程,为了省时、省钱,为了全局的胜利,决策者们不得不作出风险决策,这样的事例很多。例如:1976年8月,将国家第一期卫星通信这样重点工程的运载火箭技术方案,大胆定在采用氡氦发动机上,各火箭不经试验性飞行阶段直接投入应发射,CZ-3A用一枚飞行状态的三子级火箭在地面连续作三次动力系统试车等均为突出的代表。回过头来总结,这样做不仅必要而且可能,成效显著。

《5 展望》

5 展望

15年来,CZ3系列火箭已经进行了20次应用发射,其中包括9次外星发射,初步展现了长征火箭的实力。但作为一种有前途的商用运载火箭还必须不断完善可靠性设计,严格生产过程的质量控制,不断提高火箭的可靠性和发射成功率。本系列火箭具有良好的发展潜力,对现有设计稍加优化与况重处理就可以提高运载能力250kg,使CZ-3B的标准GTO运载能力达到5300kg。如果再将其芯一级加长1.5m,助推器相应加长0.7m,则可使其标准GTO运载能力提高到5600kgi也可以将现有的助推器增加两个或将现有4个助推器加长一倍,其余部分不作改变,则可以形成标准GTO运载能力达6.5一7.0t的重型运载火箭;更长远的设想可以加大箭体直往到5.0m左右,全部更换成无毒无污染的液体推进剂,组成低轨道运载能力达24t左右的一级半新型火箭,再加上现有CZ-3A的三子级(直径从3.0m增大到5.0m),则可构成标准GTO运载能力约14t的二级半新的重型运载火箴,国际竞争能力将显著增强,我们对与外国同行在平等条件下竞争将更加充满借心。

Long March 3 Series Launch Vehicle

Long Lehao
(China Academy of Lanal Vahicle Technology, Beijing 100076,China )

[Abstract] The background,design approach,system engineering,launch results and technical 双 develop-
ment characteristics of LM 一 3 series launch vehicles are presented,and the development of launch vehicles in
the future is prospected.It i indicated that with adyanced performance,these launch vehicles are the main force
of commercial heavy lift in China.

[Key words] aerospace; heavy lift launch vehicle; launch services; LM 一 3 series launch vehicle

 

《中国工程科学》1999年第2期要目预告

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近来的局部战争对陆基防空雷达的需求              彭家庭                       95式5.8mm班用枪族的研制                     朵英贤

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开辟长江口深水航道 建立上海国际航运中心      严恺                           面向21世纪的中国微波遥感技术发展          姜景山

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光电子晶体全固体激光器及应用                        许祖彦                         西藏昆虫研究进展                                   王保海等