改革开放40 年中国运载火箭的发展和变迁

Space Exploration - - 【中国航天与改革开放专题】| 太空探索 - 文/ 李宇飞

时光荏苒,岁月如梭。在2018年,中国的改革开放事业迎来了40周年的重要历史节点。这40年是我国的综合国力获得显著提升的一段时期。在这样的背景下,我国的运载火箭事业也获得了长足的进步与发展。甚至可以说,我国运载火箭事业的绝大部分成就都是在这 40年中取得的。

自从 1970 年 4 月 24日我国成功发射长征一号运载火箭,截至改革开放之前,我国共进行了12次运载火箭发射,其中发射成功8发,成功率66.67%,可以说只是刚刚及格。而截至 2018年年初,我国运载火箭总的发射次数已经达到了297次(含长征、风暴、开拓、快舟),总发射成功率达到了 92.93%。

基于已有的运载火箭基础,改革 开放以来,我国的长征系列运载火箭走过了从常规推进到低温推进、从串联到捆绑、从一箭单星到一箭多星、从发射卫星载荷到发射飞船的光辉历程,形成了完备的运载火箭型谱,具备了发射低、中、高不同轨道、不同类型卫星的能力,是我国具有自主知识产权和较强国际竞争力的高科技产品。运载火箭技术的巨大进步不仅有力地推动了中国航天运输系统的发展,而且有力地推动了我国应用卫星技术的发展,带动了我国载人航天的起步,同时对扩大我国航天领域对外合作,增强中国的科技实力、国防实力和民族凝聚力,发挥了不可低估的重要作用。

总的来说,我国的运载火箭可以分为两代。第一代是以“长征二号”为基础发展起来的,以使用有毒的常规推 进剂为主。第二代是以“长征五号”研制带动起来的,以使用液氧/煤油等无毒推进剂为主。而近年来固体小型运载火箭成为了一股新生的力量。本文将以此为主线,分析我国运载火箭发展和变迁的脉络。

第一代运载火箭的变迁

1971年,我国第一颗返回式卫星立项,其运载火箭被命名为“长征二号”。1975 年 11 月 26日,长征二号火箭首次发射成功。从1974 年至 1978 年,长征二号火箭在酒泉卫星发射中心共发射4次,3次取得成功。在“长征二号”的技术基础之上,通过捆绑助推器、加装第三级等模式,发展出了多种系列的长征运载火箭。

“长征二号”为二级液体运载火箭,主要用于发射高度在500 公里以下的各类近地轨道卫星,低轨道运载能力为 1.8 吨。“长征二号”3.35米的芯级直径,以有毒的四氧化二氮和偏二甲肼组合而成的推进剂体系,70吨级主发动机模块,都成为后续运载火箭发展的基础。

更加灵活的直系继承者“长征二号丙”

为了进一步提高运载能力,1979年在长征二号火箭的基础上改进设计了长征二号丙运载火箭,其近地轨道运载能力由原来的1.8 吨提高到 2.4 吨,可靠性也有大幅提高。“长征二号丙”可以说是“长征二号”的直系继承者。1982 年 9 月 9日,长征二号丙运载火箭首次成功发射。

1993年,“长征二号丙”承担了发射美国摩托罗拉公司铱星的任务。根据铱星的发射要求,对火箭进行了重大的技术改进,在原二级火箭基础上增加了一个使用固体动力的上面级,实现多星分配,一次将两颗铱星送入630 公里的圆轨道。

改进后的火箭从 1997 年至 1999年,连续7次发射成功,将摩托罗拉公司 2颗模拟星和12颗铱星送入轨道。 后续“长征二号丙”对其上面级继续进行了多次改进,能够执行更为灵活的发射任务。

增加捆绑助推的大力士“长征二号E”

“长征二号E”可以说是我国历史上最具商业色彩的运载火箭。20世纪80年代,面对国际市场通信卫星重型化的发射需求,我国决定研制在“长征二号丙”基础上捆绑4个助推器的长征二号E运载火箭。当火箭尚处于纸面设计阶段时,就通过对外推销工作,获得了美国的发射订单。火箭的研制经费也是通过贷款方式解决。而为了抢时间节点,火箭的研制时间仅有18 个月多一点。最终中国航天人创造了奇迹,于 1990 年 7 月 16日成功发射了首枚长征二号E运载火箭。

长征二号E运载火箭的主要特征就是在其一级外部捆绑有4个直径为2.25 米,高约15米的助推器,整流罩最大直径也达到了4.2米。火箭近地轨道运载能力一举达到了9.2吨。如果加上适当的固体上面级,可将3吨以上的卫星送入地球同步转移轨道。

长征二号E运载火箭的研制成功,使我国首次突破了助推器捆绑技术、首次研发成功了推进剂利用系统和大型发 射台等36项关键技术,为我国的运载火箭进入国际发射服务市场,提升中国火箭的影响力起到了重要的推动作用。

插上低温翅膀的“长征三号”

“长征三号”是一枚三级液体运载火箭,其一、二子级基本上与长征二号运载火箭的一、二子级一致,三子级采用了具有高空二次启动能力的液氢液氧发动机。长征三号运载火箭于1984年 4 月 8日首次飞行成功,将东方红二号试验通信卫星送入预定的地球同步转移轨道。1990年 4月,它首次执行外星发射服务合同,成功发射了亚洲一号卫星。

液氢的沸点是-253℃,液氧的沸点是-183℃,液氢和液氧在常温下极易挥发,而且氢气属于易燃易爆品,一旦泄露后果不堪设想。这些特性给液氢和液氧的生产、贮存、运输和使用带来了很多难题。另外,液氢液氧发动机还需要在高空失重状态下进行二次启动,发动机的研制难度极大。长征三号运载火箭的研制成功使我国成为世界上第四个具有地球同步卫星发射能力的国家,也为我国全面掌握低温推进技术奠定了基础。

后续在“长征三号”的基础上又

发展出了长征三号甲系列火箭。通过一系列的技术改进,以及加装0 ~ 4 个不同数量的助推器,长征三号甲系列火箭运载能力更大,而且可以灵活适应地球同步转移轨道发射需求,也对我国探月工程起到了开拓性的作用。

拥有常规动力三级的“长征四号”

“长征四号”原来是被作为“长征三号”的备案进行研制的。因为当时许多人认为研制以液氢液氧为推进剂的低温三子级在技术上较为困难,为了保证发射地球同步轨道通信卫星国家任务的按时完成,所以同时开展了使用常规推进剂三子级的性能较低的“长征四号”的研制。

“长征三号”发射成功之后,“长征四号”待命发射地球同步轨道通信卫星的使命便自然宣告结束,转而进行改造以发射风云一号气象卫星。1988年7月,“长征四号”首次投入使用,成功地将我国第一颗试验气象卫星送入了太阳同步轨道。“长征四号”研制成功,使我国运载火箭的工作范围得以覆盖包括太阳同步轨道在内的全部地球轨道。

长征四号运载火箭是在改进长征三号运载火箭一、二级的基础上,新研制第三级而发展起来的,火箭各级全部使用四氧化二氮和偏二甲肼常温推进剂。在继承“长征三号”成熟技术的基础上,“长征四号”在新研制的第三级上采用了更多先进的技术措施,如数字式姿态控制系统。

能够承载航天员的“长征二号F”

“长征二号F”是按照发射载人飞船的要求,在“长征二号E”的基础上,以提高可靠性、确保安全性为目标研制的运载火箭。“长征二号F”的飞行可靠性超过0.97,主要用于向近地轨道发射神舟飞船和大型目标飞行器。

“长征二号F”为确保航天员的安全增加了故障检测处理系统和逃逸系统,其作用是在飞船入轨前,监测运载火箭状态,若发生重大故障,将携带航天员脱离危险区。为了能够准确判明故障,设计团队花了4年多时间,设想了 310种故障模式,进行多轮筛选后,归纳整合出19种故障模式,通过大量仿真试验确定航天员实施逃逸的参数阈值,最后确定了合理的判据,实现了预期目标。

“长征二号F”可以说是中国长征系列运载火箭家族中的“明星”,它自1992年开始研制,于1999 年 11 月 19日首次发射并成功将中国第一艘实验飞船神舟一号飞船送入太空,2003年 10月15日首次将中国的航天员送入太空。

新一代运载火箭的发展

新一代运载火箭,是我国为了因应推进剂无毒化,并提升航天运载能力而于 2006年开始研制的火箭系列。新一代运载火箭使用 YF-100、YF-77 发动机作为主要动力,采用无毒无污染的 液氧、液氢、煤油作为主要推进剂,近地轨道运载能力最大达到25吨、地球同步转移轨道运载能力最大达到14吨。

能够大幅提升我国进入空间的能力,满足发射未来月球探测工程较大规模的月球返回探测器、载人航天工程的20 吨级空间站等大型有效载荷的需求。

我国新一代运载火箭遵循“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体思路,并贯彻“通用化、组合化、系列化”的设计思想。据此,我国研制了包括芯级直径5米的长征五号系列大型运载火箭、芯级直径3.35 米长征七号系列中型运载火箭和长征六号小型运载火箭在内的新一代运载火箭系列。

2015 年 9 月 20日,长征六号运载火箭在太原卫星发射中心“一箭20星”首飞成功。2016年6月25日,长征七号运载火箭从海南文昌航天发射场首次成功发射,这也是文昌航天发射场的首次发射任务。2016年11月3日,长征五号运载火箭在海南文昌发射场成功发射。

固体运载火箭的破局

随着小卫星技术的发展,小卫星的地位越来越高,作用也越来越大,对运载火箭提出了新的要求。以往的搭载、组批发射已经越来越难以满足小卫星的发射需求。另外由于小卫星技术迭代更新快速,射前准备简单,这又推动了灵活快速响应发射的需求。而应对这些新的发射需求,固体小型运载火箭是最好的选择。目前我国已经发射成功的固体运载火箭主要有“长征十一号”“快舟一号甲”和“开拓二号”等3个型号。

长征十一号运载火箭是一型四级全固体运载火箭,于 2015 年 9 月 25日完成首飞,是中国长征系列运载火箭家族第一型固体运载火箭。火箭直径2米,起飞推力达到了120 吨,700 公里太阳同步轨道运载能力400 千克,低轨运载能力可达700千克。火箭可整体贮存,操作简单,可在接到任务命令后 24小时内完成星箭技术准备和发 射任务,其中在发射点的发射准备时间不大于1小时,具备“日发射”能力。火箭采用了能够自主移动、完成测试准备的机动发射平台,实现了不需要专门的火箭发射场,只要一片平地的无依托发射能力。

快舟一号甲运载火箭是在原“快舟一号”星箭一体化运载器的基础上,改进研制的一款通用型固体运载火箭,于 2017 年 1 月 9日在酒泉卫星发射中心完成首飞。火箭直径1.4 米,700 公里太阳同步轨道运载能力200 千克,近地轨道运载能力300千克。火箭采用三级固体动力+末级液体助推的串联式布局,由移动发射车在普通硬实地面实施发射,不需要复杂的发射塔架,简化了发射保障设施。

“开拓二号”属于开拓号系列固体运载火箭,于2017 年 3 月 3日在酒泉卫星发射中心首次发射成功。火箭直径 1.7 米,700公里太阳同步轨道运载能力 250千克,近地轨道运载能力350千克。 改革开放40年以来,中国航天的运载火箭技术取得了长足的进步,先后自主研制出了十余种不同型号的运载火箭,具备了发射近地轨道、太阳同步轨道、地球同步转移轨道、月球转移轨道空间飞行器的运载能力。运载火箭在可靠性、安全性和发射成功率上均达到了国际先进水平,并且成功地跻身国际商业卫星发射服务市场。

展望未来,我国的载人航天、深空探测等航天活动需要有更大能力的运载火箭来承载,近地轨道大型星座需要运载火箭能够支持大规模、低成本进入空间。一个国家的火箭运载能力有多强,航天舞台就有多大,运载火箭技术的发展前景依然远大。

我们相信,随着社会主义市场经济的发展,运载火箭的研制和开发也必然更多地走向军民融合、多主体参与、市场化开发的道路。那时,百花竞放,百舸争流,我国的运载火箭事业必然会迎来一个更为繁荣的明天。★

▲长征家族现役火箭图谱

▲长征二号F火箭发射“神舟五号”

▲长征六号火箭

▲长征十一号火箭发射效果图

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