《1 前言》

1 前言

2000年11月国务院发表的“中国的航天”白皮书中提出, 我国近期 (2010年前后) 的航天发展目标之一是“发展空间科学, 开展深空探测”。如何落实这一目标, 近一年多以来部分中科院的科学家、航天界的专家进行了研讨, 比较一致的意见是应该从月球探测开始, 即将月球探测作为我国“开展深空探测”的第一步, 它必然也会成为中国航天新的里程碑。为了实现中华民族千百年来“嫦娥奔月”的美丽梦想, 必须要有“天梯”, 而最理想的“天梯”就是现代运载火箭。作为我国最基本的现代空间设施之一的长征系列火箭, 其众多型号经过适应性修改后, 几乎都可充当这种“天梯”的角色。本文试图就选择何种型号、做什么样的修改才能快、好、省地发射月球探测器 (或卫星) 进行初步探讨。

《2 探月工程对运载火箭的基本要求》

2 探月工程对运载火箭的基本要求

月球探测是一项庞大的系统工程, 一般应该由运载火箭、月球探测器、测控跟踪网站、地面应用与研究、发射场等五大系统组成。这五大部分之间互为关联、相互约束, 而各自的技术方案、技术状态、技术性能又取决于月球探测工程的总体目标与技术要求。不同的总体目标与技术要求, 或不同规模的探测器, 对应不同的运载火箭方案, 但就总体而言, 我国首期探月工程对运载火箭的最基本的要求应该是:

1) 多级、运载能力较大

要实现月球资源探测, 必须将一定质量的实用探测器加速到接近第二宇宙速度的初始速度, 使其进入奔月轨道;而要想将它变成环绕月球运行的卫星, 还须再次提供变轨制动的速度增量。就当前人类的技术水平而言, 必须采用三级或四级化学推进剂火箭才能满足这一要求。根据国外的经验 (见表1) , 结合国内的实际情况, 我国首期月球探测器应能保证有较长的探测时间 (如1年以上) 和较近的探测距离 (如200 km左右) , 即以环月探测器为好, 探测器的质量取1~2 t为宜, 火箭的运载能力应能适应这一要求并留有足够的余量。

2) 可靠

探月是一项风险很大的系统工程, 为确保我国首期探月工程的一次成功, 运载火箭应尽可能选用已经飞行成功的型号, 必要的修改设计也只是适应性的, 并尽可能选用成熟技术。

表1 国外月球探测工程要览

Table 1 General view of moon exploration project abroad

 

《表1》

国家 名称 时间 质量/kg 运载火箭 任务 轨道方式
  月球1~3 1959 390 月球号 旁飞、硬着陆、月球背面照像 直接上升
  月球4~14 1963~1968 1 420~1 640 闪电号 环月飞行、月面软着陆 停候轨道上升

苏联
月球15~24   5 300~5 800 四级质子号 月球采样、月球车、环月飞 停候轨道上升
  探测器3 1965 950 闪电号 旁飞 停候轨道上升
  探测器4~8 1968~1970 5 500~5 800 四级质子号 绕月、返回地球、软着陆 停候轨道上升
        雷神-艾布尔    
  先驱者P-30 1958~1960 38~176 宇宙神-艾布尔 环月飞行 直接上升
  徘徊者 1961~1965 306~369 宇宙神-阿金纳B 月面硬着陆 停候轨道上升

美国
勘探者 1966~1968 995~1 035 宇宙神-半人马座D 月面软着陆 1、2、4号直接上升,
其余停候轨道上升
  月球轨道者 1966~1967 385 宇宙神-阿金纳D 环月飞行 停候轨道上升
  阿波罗 1968~1972 44 670 土星5 载人登月、返回 停候轨道上升
  克莱门汀 1994 424 大力神2G 环月飞行、小行星交会 停候轨道上升
  月球勘探者 1998 295 雅典娜2 环月飞行 停候轨道上升
  飞天 1990 197 缪–3S11 绕月飞行 (技术试验) 262 km×286 183km
(地心大椭圆)

日本
月球A 2002 540 M -V 环月飞行 停候轨道上升
  月亮女神-A 2004        
  月亮女神-B 2006 2 860 H -ⅡA 环月飞行、月面软着陆 停候轨道上升

欧洲
SMART-1 2002 350 阿里安5搭载 环月飞行 GTO电推进上升

 

 

3) 廉价

少花钱、多办事、办好事, 是我国发展科技与经济建设必须遵循的基本原则, 探月工程也不例外。

《3 长征火箭现状》

3 长征火箭现状

到目前为止, 长征系列火箭已经有12个型号研制成功, 还有两个型号已完成飞行试验前的全部研制工作, 只待飞行验证。这些火箭的总体要素见表2 [1], 发射记录见表3 [1]

从表2、表3看出, 长征系列火箭已经在三种典型的地球轨道上成功应用, 即近地轨道 (LEO) 、太阳同步轨道 (SSO) 和地球同步转移轨道 (GTO) 。对应这三种轨道上的最大运载能力分别达到12 t、6.1 t、5.1 t, 累计飞行次数达67次, 综合技术性能有的已经达到世界一流水平。这一切都为我国的月球探测工程提供了比较坚实的技术基础, 为大工程提供了较多的选择余地。

《4 探月工程运载火箭的选型与改造》

4 探月工程运载火箭的选型与改造

《4.1 火箭选型》

4.1 火箭选型

从表2看出, 三级的长征火箭有CZ-1、CZ-1D、CZ-3、CZ-3A、CZ-4A和CZ-4B 6种型号;三级半 (半级指捆绑型的助推器) 的型号有CZ-3B、CZ-3C两种。这些型号都可以作为我国发射首期月球探测器的主要候选火箭, 但它们中间有的已经退役终止使用 (如CZ-1、CZ-3、CZ-4A) , 有的运载能力较小 (如CZ-1D、CZ-4B) , 满足不了要求。长征火箭中最接近发射首期月球探测器要求的火箭, 应该是成功应用在GTO上的CZ-3A系列火箭。它是我国目前最大运载能力的火箭群体, 其概貌见图1, 构成示意图如图2。其中的CZ-3A、CZ-3B已发射过11次, 将11颗国内外卫星送入预定的GTO (或超GTO) , 其中的CZ-3C虽然尚未上天飞行过, 但地面研制工作已全部完成, 而且它和CZ-3A、CZ-3B一样是按系列化、组合化、通用化原则设计的, 它与CZ-3B的主要区别在于捆绑了两个助推器和127 s以前的飞行软件不同, 其余硬件与软件均相同。CZ-3C的全部硬件已经过了多次成功的飞行考核验证, 也应该成为发射月球探测器的首选火箭之一。

表2 长征火箭总体要素一览表

Table 2 System parameters of long march family

 

《表2》


型号
起飞质量/t 火箭高度/m 最大直径/m 星罩直径/m 级数 起飞推力/kN 助推器数
运载能力/kg*

LEO
SSO GTO
CZ-1 81.5 29.86 2.25 1.5 3 1 020 0 300    

CZ-1D
80.6 28.22 2.25 2.05/2.25 3 1 101 0   400  

CZ-2
180 34.6 3.35 2.20 2 2 748 0 2 100    

CZ-2C
243 40.0 3.35 3.35 2 2 748 0 3 800    

CZ-2C/FP
213 40.4 3.35   3 2 962 0   1 500  

CZ-2D
232 39.5 3.35   2 2 962 0 3 300    

CZ-2E
460 49.68 8.45 4.2 2.5 5 923 4 8 000    

CZ-2F
480 58.34 10.17 3.8 2.5 5 923 4 8 000    

CZ-3
204 44.86 6.15 2.60/3.0 3 2 962 0     1 500

CZ-3A
241 52.52 6.35 3.35 3 2 962 0     2 600

CZ-3B
426 54.8/55.6 11.45 4.00/4.2 3.5 5 923 4 12 000 6 100 5 100

CZ-3C
345 54.8/55.6 8.45 4.00/4.2 3.5 4 443 2     3 800

CZ-4A
241 41.9 6.15 2.9 3 2 971 0   1 600  

CZ-4B
248.5 45.78 6.15 3.35 3 2 962 0   2 800  

* LEO:hp=200 km, ha=200 km, i=63°;SSO:hp= ha=900 km, i=99°;GTO:hp=200 km, ha=35 958 km, i=28.5°

 

表3 长征火箭各型号发射记录 (截至2002年5月)

Table 3 Launch record of LM family (up to May, 2002)

 

《表3》


序号
火箭种类 首飞时间 总发射次数 失败次数 轨道

1
CZ-1 1970-04-24 2 0 LEO

2
CZ-2 1974-11-05 4 1 LEO

3
CZ-2C 1982-09-09 11 0 LEO

4
CZ-2C/FP 1997-09-01 7 0 LEO

5
CZ-2D 1992-08-09 3 0 LEO

6
CZ-2E 1990-07-16 7 2 LEO

7
CZ-2F 1999-11-20 3 0 LEO

8
CZ-3 1984-01-29 13 3 GTO

9
CZ-3A 1994-02-08 6 0 GTO

10
CZ-3B 1996-02-15 5 1 GTO

11
CZ-4A 1988-09-07 2 0 SSO

12
CZ-4B 1999-05-10 4 0 SSO

 

 

《4.2 三种运行轨道》

4.2 三种运行轨道

发射月球探测器, 可以有不同的运行轨道。国外早期的月球探测活动, 由于运载火箭技术基础比较薄弱, 运载能力不大, 都采用地心大椭圆直接上升到月球附近的飞行轨道 (见表1) , 如苏联1959年发射月球1~3号, 美国1958~1960年发射先驱者号, 日本1990年发射飞天号月球探测器时均采用这种轨道。随着运载火箭运载能力的不断提高, 世界各国发射月球探测器时, 大都采用在地球停泊轨道上再加速上升的飞行轨道, 这种方式有利于发射窗口的选择与地面测控跟踪。CZ-3A系列火箭发射月球探测器时可有以下三种类型的轨道:

《图1》

图1 CZ-3A系列火箭外形图

图1 CZ-3A系列火箭外形图

Fig.1 LM-3A series outline

1) 进入GTO (或超GTO)

火箭将月球探测器送入地球同步转移轨道或超地球同步转移轨道。这时探月器的初始速度为10 km/s左右, 还不足以进入地月转移轨道 (LTO) 或奔月轨道。探月器要想奔向月球并环绕月球运转, 还必须依靠其自身的动力在GTO的近地点附近加速进入LTO, 而后再在近月点附近制动, 进入环月轨道, 如图3所示。这种轨道方式对CZ-3A系列火箭而言, 只相当于再一次发射地球同步通信卫星, 火箭本身不需要做任何修改设计, 其运载能力如表2所示, 但要求月球探测器较大, 并有足够的变轨能量。

《图2》

图2 CZ-3A的构成示意图Fig.2 LM-3A configuration

图2 CZ-3A的构成示意图

Fig.2 LM-3A configuration

 

2) 进入LTO

即火箭将探月器直接送入地月转移轨道 (奔月轨道) , 然后依靠月球探测器在近月点附近制动变轨进入环月轨道。火箭在地球至月球空间运行的情景见本期封面图。这种方式对CZ-3A系列火箭硬件而言也不需要做任何修改设计, 只要将三级二次关机时间延长若干秒, 使其速度达到10.8 km/s左右即可, 而同样要求月球探测器有变轨装置, 但其变轨能力可较第一种方式时小。

《图3》

图3 发射月球探测器三种轨道示意图

图3 发射月球探测器三种轨道示意图  

Fig.3 Three scenarios for moon probe launching

3) 直接进入环月轨道

即火箭直接将月球探测器送入环月轨道, 使其成为月球卫星。这时CZ-3A系列火箭需做适应性修改设计, 即增加一个小型的上面级, 用于完成奔月过程的飞行控制以及从LTO到环月轨道的制动变轨。这时的月球探测器不必具有变轨能力, 可以小型化、简单化。完成这些任务后, 根据需要还可以将上面级与月球探测器分离, 实现月面硬着陆或软着陆。在这个过程中, 还可借助环绕月球旋转的探测器的中继作用, 将上面级硬着陆或软着陆的必要信息传回地球, 实现大工程的一体化设计, 以求扩大我国首期探月活动的功效与影响。

这三种类型发射轨道的比较见表4。

表4 三种类型轨道比较

Table 4 Comparison among three scenarios

 

《表4》


轨道类型
优 点 缺 点

GTO
(或超GTO)
火箭不做修改, 成熟、可靠, 2年内可发射 探月器多次加速与减速变轨, 测控跟踪难度大, 火箭潜力未发挥

LTO
(奔月轨道)
除同上外, 探月器可简化, 只需在近月点制动变轨, 测控跟踪容易  

环月轨道
探月器最简单, 实现一箭双雕, 工程成效大, 远近衔接好, 可实现大工程的一体化设计 需研制上面级火箭, 火箭部分要多花半年时间

 

 

上面级的设计原则是尽量利用成熟技术, 继承性好、简单可靠、廉价、通用, 完全可以在CZ-2C/FP发射铱星、CZ-3A发射第二代导航卫星上面级的基础上, 修改设计成一个灵活通用的CZ-3A系列火箭上面级。其主要系统的基本方案如下 1:

·动力系统——采用一台2 500 N推力、N2O4/MMH可贮存推进剂并且可多次启动的主发动机系统, 以及一套轨姿控辅助动力系统。

·主结构——在现有上面级主结构的基础上适应性修改而成。

·控制系统——挠性或激光陀螺仪与石英加速度表构成的捷联惯组/GNSS/星光复合制导控制系统。捷联惯组还可作为CZ-3A系列火箭一、二、三级飞行期间的冗余控制系统。

·电源系统——采用大容量蓄电池方案。

·温控系统——采用主、被动温度控制相结合的温控方案。

上面级的示意图如图4, CZ-3A增加上面级后星罩部分的示意图如图5。上面级的质量分配与运载能力见表5。

《图4》

图4 上面级外形示意图

图4 上面级外形示意图

Fig.4 Upper stage sketch

《4.4 典型的发射轨道时序》

4.4 典型的发射轨道时序

根据上述上面级方案, CZ-3A系列火箭发射月球探测器的一种典型轨道时序 (4.5天LTO) 见图6, 对应事件的说明见表6。

《4.5 工程的可实现性》

4.5 工程的可实现性

火箭的可实现性是整个探月工程现实性的基础。从以上分析得知, CZ-3A系列火箭本身就是现成的产品, 新设计的上面级小型火箭, 相对CZ-3A系列而言也只是采用成熟技术的适应性修改设计。例如:上面级动力系统的2 500 N主发动机已在神舟号飞船上三次成功飞行使用;其轨控与姿控辅助发动机也在长征型号上多次成功使用;控制系统中的惯性测量组合装置, 已在CZ-2C/FP、CZ-2F等火箭上多次成功应用;平台/惯测组合主从冗余型控制系统已在CZ-2F上成功飞行使用, 在CZ-3A火箭上也即将进入飞行搭载使用阶段;星光敏感器在中国运载火箭技术研究院也有良好的预研基础;主结构、电源、温控等分系统同样也有长征火箭与其他运载工具成熟的研制经验。总之, CZ-3A系列火箭的上面级, 用两年半左右的时间应该可以研制成功。

《图5》

图5 有上面级的星罩部分示意图Fig.5 Upper stage with fairing

图5 有上面级的星罩部分示意图

Fig.5 Upper stage with fairing

 

  

表5 CZ-3A系列火箭运载能力和上面级质量分配

Table 5 LM-3A series´capabilities and upper stage mass budget     kg

《表5》
表5 CZ-3A系列火箭运载能力和上面级质量分配Table 5 LM-3A series´capabilities and upper stage mass budget
《图6》图6 典型发射轨道示意图

图6 典型发射轨道示意图  

Fig.6 Typical trajectory

表6 典型发射轨道时序 (4.5天奔月轨道)

Table 6 Typical flight sequence (for the 4.5 day trajectory)

《表6》

序号
时序 事件

1
0 s 火箭点火起飞

2
148.2 s 一、二级分离

3
244.3 s 整流罩分离

4
272.5 s 二、三级分离

5
611.2 s 三级一次工作结束, 进入200 km停泊轨道

6
1 191.9 s 滑行结束

7
1 434.6 s 三级二次工作结束, 进入近地点高度200 km的奔月轨道

8
26.4 min 进行GNSS测量, 上面级工作, 完成奔月轨道初始误差修正

9
38.9 min 3 000 km左右, 再次进行GNSS精确测量, 下传测量数据, 由地面进行处理并完成轨道预报, 选择合适时机将数据注入上面级

10
14~17 h 第一次经过中国上空, 第一个可测控弧段, 经过一段轨道测量, 地面及时处理后注入轨道预报值

11
36~42 h 第二次经过中国上空, 第二个可测控弧段, 经过一段轨道测量, 地面及时处理后注入轨道预报值

12
60~66 h 第三次经过中国上空, 第三个可测控弧段

13
84~90 h 第四次经过中国上空, 第四个可测控弧段, 惯性基准校准, 完成中途修正, 并对修正后的轨道进行测量, 完成轨道预报

14
106.5 h 距月球30 000 km开始, 通过月球成像跟踪器捕捉月球并跟踪

15
113.29 h 完成惯性基准校准和上面级调姿, 对月制动开始

16
113.42 h 进入环月轨道, 星箭分离

 

探月工程的其他组成部分, 也有良好的现实可能性。例如:西昌卫星发射场已11次发射CZ-3A、CZ-3B火箭, 还成功地完成了CZ-3C火箭的发射合练。增加上面级后, 火箭的高度没有变化, 发射场完全可以适应发射月球探测器的需要;地面跟踪与测量系统, 现有为921工程使用的统一S波段测控系统 (USB) , 可以满足火箭飞行过程中测量跟踪与控制的需要。在距地球3 000 km附近引入GPS参与测控的技术已在我国CZ-2C/FP等型号上成功应用。另外, 中国科学院的天文甚长基线干涉仪 (VLB1) 系统也可参与测控, 提高测控跟踪系统的精度与可靠性;月球探测器可由FY-1、ZY-1、DFH-3等卫星做适应性修改而成, 也基本上是现成的产品;地面应用与研究系统在中国科学院也有良好基础。

总之, 探月工程选用CZ-3A系列火箭方案是完全现实可行的, 整个工程的其余组成部分也有较好的现实基础。

《5 基本结论》

5 基本结论

1) 我国首期月球探测工程的运载火箭, 可在CZ-3A系列火箭的三类共9种方案中选取, 即:

·第一类选择CZ-3A、CZ-3C、CZ-3B, 分别将2.6、3.8、5.1 t的探月器送入GTO。

·第二类选择CZ-3A、CZ-3C、CZ-3B, 分别将1.75、2.80、4.15 t的探月器送入LTO。

·第三类选择CZ-3A、CZ-3C、CZ-3加上面级, 分别将0.7、1.3、2.2 t的探月器送入环月轨道。

由此不难看出, 当探月器的质量为1~2 t时, 第一类选择显然没有充分发挥运载火箭的潜力, 而探测器的负担过重, 从航天大工程整体优化的角度看, 显得不够合理;

第二类选择比较居中、相对合理。比如可用CZ-3A将1.75 t、CZ-3C将2.8 t的探月器送入LTO, 然后再由探月器完成制动变轨进入环月轨道。这个过程相当于CZ-3A系列发射地球同步通信卫星时卫星从GTO到GEO。

第三类选择火箭的负担较重, 探月器的负担轻且可小型化。但其中的CZ-3B是成熟产品, 这时的CZ-3B火箭加上面级可以实现一箭双雕:既发射环月卫星, 又实现上面级月面硬 (或软) 着陆。这样既能扩大我国首期探月工程的影响, 也可为第二期探月工程打下良好基础。

2) 由于我国探月活动起步晚于美苏约40年, 而我国现实的技术与物资基础又大大优于当年的美苏两国, 因此, 我国探月工程的起点应该有可能高一些。应取CZ-3B加上面级发射环月卫星同时实现硬 (或软) 着陆为首选方案, 以取CZ-3C发射2 t质量级的探月器进入奔月轨道为次选方案。

3) 三类方案中的运载火箭, 最长的生产 (或研制) 周期不会超过3年, 都能做到在2005年前发射月球探测器。

《注释》

注释

1 陈闽慷等.发射月球卫星运载火箭上面级技术方案[R]. 北京: 中国运载火箭技术研究院, 2002