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第12章 “长征”火箭的不凡之路(4)

20世纪70年代,为了发展自己的卫星通信技术,我国开展了第一期卫星通信工程,代号“331工程”。“长征三号”运载火箭和“东方红二号”卫星相继诞生。作为我国第一个地球同步通信卫星,“东方红二号”卫星较小,质量仅1300千克左右,只有4个转发器,不能满足国内日益发展的卫星通信事业的需要。随着通信技术的发展,需要研制、发射更为先进的地球同步轨道通信卫星。

为了加速发展我国的卫星通信事业,“长征三号甲”系列火箭于1986年立项研制,主要任务是发射“东方红三号”卫星。当时设计了三种型号,出于模块化和通用化的考虑,“长征三号甲”是单枚三级火箭,捆绑4个助推器就成了“长征三号乙”,捆绑2个助推器则是“长征三号丙”。

“长征三号甲”运载火箭是以中国运载火箭技术研究院为主体、历时8年研制的三级大型液体运载火箭。1986年2月,为了加速发展我国的卫星通信事业,中央决定开展我国第二期卫星通信工程,并于3月31日批准立项,5月31日正式命名为“862工程”。该工程的核心是“东方红三号”。当时,“东方红三号”卫星是国内具有20世纪80年代最新技术水平的通信卫星,其质量约2.2吨,“长征三号甲”火箭是与其配套的运载火箭。

“长征三号甲”火箭是在充分继承原有长征型号火箭成熟技术的基础上,采用百余项新技术制造而成,其中在研制中突破了氢氧发动机、四轴惯性平台、氢能源伺服机构、冷氦增压系统四大关键技术,大大提高了我国运载火箭的适应性,增强了其在国际商业发射市场上的竞争能力,使我国运载火箭设计生产水平上了一个新台阶。

“长征三号甲”火箭全长52.52米,一、二级直径3.35米,三级直径3米,整流罩直径3.35米。火箭起飞质量约242吨,起飞推力2962千牛。火箭一、二级采用常规推进剂四氧化二氮/偏二甲肼,三级采用低温推进剂液氧/液氢。“长征三号甲”运载火箭从发射场腾空升起

火箭一级装有四台并联的液体火箭发动机,单台海平面推力为75吨,每台均可在伺服机构带动下作切向摇摆,以实现对火箭飞行姿态的控制。二级发动机由一台主机(推力75吨)和带四个小喷管的游动发动机(推力为4.8吨)组成,游动发动机喷管可作单向摇摆,以实现对箭体飞行姿态的控制。三级则采用新研制的氢氧发动机,具有真空二次启动能力,由两台独立的单管发动机并联而成,每台推力8吨,可在伺服机构带动下双向摇摆,实现对三级箭体飞行姿态的控制。

1994年2月8日,“长征三号甲”火箭首发运载一箭两星发射成功,标志着我国高轨道新运载火箭诞生,“长征”火箭地球同步转移轨道的运载能力提高到了2600千克。同时,以“长征三号甲”火箭为芯级,捆绑4枚液体助推器形成的“长征三号乙”火箭和捆绑两个助推器形成的“长征三号丙”火箭也相继研制成功,其标准地球同步转移轨道运载能力分别达到了5100千克和3800千克。它们的运载能力可以覆盖世界上大多数通信卫星,并具有适应性好、继承性高、可靠性高等特点,是我国发射对内、对外高轨道卫星的主力。

“长征三号乙”运载火箭

“长征三号乙”运载火箭是中国近十年在国际发射服务市场上的主推火箭,它实际上是以“长征三号甲”作为芯级,在其一级上捆绑了“长征二号捆绑式”的四个助推器,并采用了加长、加强的二级贮箱,其地球同步转移轨道运载能力一跃达到5000千克。“长征三号乙”火箭还可执行其他轨道要求的任务,并且还可满足有效载荷调姿、再定向和起旋要求以及双星和多星发射的要求等。“长征三号乙”火箭可提供多种整流罩以适应不同用户的需要。“长征三号乙”运载火箭在1997年8月和10月先后成功地发射了美国制造的菲律宾“马部海号”卫星和“亚太二号R”卫星。

“长征三号丙”运载火箭

“长征三号丙”是在“长征三号甲”单枚三级火箭基础上捆绑两个助推器而成,运载能力为2600~3800千克,介于2600千克的“长征三号甲”和5100千克的“长征三号乙”之间。2003年,“长征三号丙”运载火箭完成总体设计。

北京时间2008年4月25日23时35分,中国首颗数据中继卫星“天链一号01星”在西昌卫星发射中心由“长征三号丙”运载火箭成功发射升空。

“长征三号丙”运载火箭由三级液体火箭捆绑2个助推器组成,这种独特的“非全对称”火箭在“长征”系列里是唯一的。为此,设计人员突破了“三通道交联结耦”等关键技术,通过电脑合成控制发动机喷管的摆动,从而确保火箭飞行稳定,首飞成功充分验证了设计的正确性。

“长征三号丙”运载火箭的投入使用,填补了中国高轨道运载能力的一个空白,真正实现了我国火箭运载能力系列化。

“长征三号丙”运载火箭是继“长征三号甲”与“长征三号乙”之后“长征三号”系列运载火箭的又一成员。除在它的一级上绑有两个“长征二号捆绑式”的助推器外,它的其余结构部分、分系统和“长征三号乙”火箭基本相同。“长征三号丙”运载火箭的地球同步转移轨道的运载能力为3700千克,并可以执行各种轨道要求的发射任务。它的推出,为用户根据有效载荷的质量和任务要求而灵活地选用“长征”火箭拓宽了范围。

随着时代的发展、科技的进步,世界各国对高轨道卫星的发射需求日益增长,特别是发展中国家对3000千克左右的卫星运载需求比较大,加之“长征三号丙”运载火箭可以提供更便宜的发射服务,因而其在国际商业发射市场上有一定前景。没有一次失败的“长征四号”

“长征四号”运载火箭于1979年由上海航天局开始研制,主要任务是作为发射地球同步轨道卫星的另一个方案。到1982年,该火箭停止研制,转而在“长征四号”火箭的基础上研制“长征四号A”火箭以用于发射太阳同步轨道卫星。

“长征四号”系列运载火箭在发射太阳同步轨道气象卫星上显示出强大的优势,保持了发射不败的记录。

为了研制发射地球同步轨道卫星的备份火箭,上海航天局从1979年开始,用了10年时间终于在1999年研制成功了“长征四号甲”和“长征四号乙”,代号分别为CZ-4A和CZ-4B。与“长征三号”类似,“长征四号甲”也是在“长征二号”基础之上增加了一个第三级形成的。火箭的一级和二级都继承了“长征二号”和“长征二号丙”的成熟技术,但是与“长征三号”又有不同:增加的火箭第三级使用了与一、二级相同的常温液体推进剂,安装两台可以双向摆动的发动机,每台真空推力约为50千牛。全箭加注之后总质量约为240吨,起飞时发动机总推力可达2940千牛,火箭全长42米,可以把1600千克的有效载荷送入900千米的太阳同步轨道,也可以把3800千克的有效载荷送入高400千米、倾角为70°的低地球轨道。

“长征四号甲”运载火箭“长征四号甲”运载火箭,是我国发射第一颗气象卫星“风云一号”的运载火箭。它是在风暴一号基础上增加第三级发动机而成,火箭全长41.901米,芯级最大直径3.35米,运载能力为太阳同步轨道时1500千克。1988年9月7日首次发射,成功地将我国第一颗气象卫星“风云一号”送入太阳同步轨道。随后又将第二颗“风云一号”气象卫星发射进入轨道。总共进行两次发射,全部成功。

后来,“长征四号甲”运载火箭进行了技术改进,提高了可靠性能和适应能力。改进后的火箭被称为“长征四号乙”运载火箭。

“长征四号乙”是我国在“长征四号甲”运载火箭基础上研制的一种运载能力更大的三级液体运载火箭。火箭全长45.576米,芯级最大直径3.35米,运载能力在太阳同步轨道为2200千克。

“长征四号乙”主要用于发射太阳同步轨道的对地观察应用卫星。1999年5月10日,“长征四号乙”火箭首次发射,成功地将“风云一号C”和“实践五号”卫星准确送入轨道。

知识点太阳同步轨道

太阳同步轨道指的就是卫星的轨道平面和太阳始终保持相对固定的取向,轨道的倾角(轨道平面与赤道平面的夹角)接近90度,卫星要在两极附近通过,因此又称之为近极地太阳同步卫星轨道。为使轨道平面始终与太阳保持固定的取向,轨道平面每天平均向地球公转方向(自西向东)转动0.9856度(即360度/年)。承载中国航天希望的“长征五号”

“长征五号”是中国研制的新一代重型运载火箭系列,与欧洲“阿丽亚娜-5”基本同级。其设计思想以通用化、系列化、组合化为重点。可搭载两种专门为其设计的火箭发动机,分别为推力120吨的YF-100液氧煤油发动机和推力50吨的YF-77氢氧发动机。新一代大运载火箭“长征五号”

“长征五号”系列实行模块化设计,由直径为5米、3.35米和2.25米的三种模块构成。其中5米模块包含两个50吨级的YF-77发动机,3.35米模块则包含两个120吨级的YF-100发动机。模块化设计的好处是可以根据需要把不同模块组装成不同推力的火箭,以执行不同的任务。例如系列中最为强大的型号,以两个5米模块为主推进器,另配有4个3.35米模块为助推器。

中国大推力火箭的论证起始于1986年。当时主要考虑的是发展大直径、高可靠、无污染的新一代运载火箭,以适应国际商业卫星发射市场和中国未来卫星发射和深空探测的更高需求。然而,正式批准研制却是在21年后。

2007年5月10日,国务院审议通过了《航天发展“十一五”规划》,批准大推力火箭作为16个重大科技专项之一投入研制。这一消息让所有航天人兴奋不已。

“长征五号”运载火箭目前中国的火箭在200千米低轨道最大有效载荷是10吨,36000千米高轨道最大有效载荷为5.1吨,这个运载能力和发达国家相差一半,“长征五号”的出现弥补了这一差距。“长征五号”可以一箭双星或一箭一星发射大卫星、重卫星、重20吨以上的空间站以及月球车。探月工程中的“落”、“回”两大阶段都需要大火箭的推力。

除了大推力之外,与原有火箭相比,新一代大型火箭还有许多其他优势。一是采用液氧煤油或液氢液氧发动机,做到无毒无污染;二是模块化设计,能满足不同重量有效载荷的发射需要,增加了选择性和提高了发射的灵活性;三是提高可靠性,能大幅度提高火箭发射成功率。

为实现我国航天事业的可持续发展,满足新一代运载火箭和新型航天器发射任务需求,2007年8月,国务院和中央军委正式批准在海南文昌建设新一代运载火箭发射场。日前,新发射场可行性研究报告已获国家批准,计划近期开工建设。

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