高軌道發射次數最多、成功率最高!“金牌火箭”是怎樣煉成的

來源︰學習軍團作者︰韓阜業 王偉童責任編輯︰伍行健
2019-04-26 00:40

2019年4月20日,由中國航天科技集團所屬中國運載火箭技術研究院抓總研制的長征三號乙運載火箭將北斗三號衛星成功送入預定軌道。這一刻,長征三號甲系列火箭發射次數正式刷新為“100”,並由此成為我國首個發射次數突破100次的單一系列運載火箭。

長征三號甲系列運載火箭由長征三號甲、長征三號乙和長征三號丙(簡稱長三甲、長三乙和長三丙)三種低溫液體運載火箭組成。該系列火箭具有“系列化、組合化、模塊化”特點。早在1998年,長征三號甲系列運載火箭就曾榮獲國家科學技術進步特等獎,並在2007年獲得“金牌火箭”的稱號。

據中國運載火箭技術研究院長征三號甲系列火箭總指揮岑拯介紹,長征三號甲系列運載火箭幾乎包攬了我國絕大多數高軌道航天器發射任務,是長征系列運載火箭高強密度發射的“主力”,是我國目前高軌道上發射次數最多、成功率最高的火箭系列。

起點非凡,書寫“金字招牌”  

眾所周知,作為我國主力高軌運載火箭,長征三號甲系列運載火箭承擔著發射北斗導航衛星、月球探測器和通信衛星等重要任務。

自1994年2月8日長征三號甲首飛以來,25年的時間里,長征三號甲系列運載火箭始終“奮戰”在國家重大航天任務一線。截至目前,北斗工程從一期到三期,探月工程從嫦娥一號到嫦娥四號全部由長征三號甲系列運載火箭實施發射,共將48顆北斗導航衛星、4顆嫦娥探測器成功送入預定軌道。

“為什麼長征三號甲系列運載火箭能夠有如此長期、如此穩定、如此可靠的表現呢?”中國工程院院士、中國運載火箭技術研究院長征系列運載火箭高級顧問龍樂豪介紹,這正是因為長三甲系列火箭在設計之初就堅持國際一流水平。

為使系列火箭的總體技術性能達到國際一流水平,設計人員在繼承長征三號運載火箭成熟技術的同時,在設計中采用了超過60%的新技術,這在當時也是非常大膽的創舉。其中重要的共108項,重要技術創新項目22項,重大關鍵技術項目四項,即︰YF-75氫氧發動機,是重新設計用于三級的氫氧發動機,在研制過程中遇到氫氧渦輪泵端面密封、螺旋管束式大噴管成型工藝多項技術難題。經過艱苦扎實的工作,攻克了一道道技術與工藝難題,發動機的結構可靠性首飛時已經達到0.97。動調陀螺四軸平台的研制成功,是我國將近20年來在火箭慣性器件方面的一大重大突破,是具有里程碑性質的成就。冷氦加溫增壓技術不僅在國內是首創的高難技術,即使在國際上也是屬于僅被美、日等個別工業發達國家所掌握的新、難技術。低溫氫氣能源雙向搖擺伺服機構,采用低溫氫氣氣動機作為伺服機構的一次能源這一技術在國內是首創,在國外也未見到先例。

正是因為采用了高效的液氫液氧推進劑,長三甲系列火箭三子級的比推力也達到了世界一流。衡量一型火箭是否先進,還有一個關鍵的指標︰有效載荷系數。通俗地說就是,火箭運送衛星的重量除以它的起飛重量,得出的系數。

龍樂豪院士形象地打了個比方︰“就像兩個舉重運動員,舉的重量是一樣的,他倆誰的體重更輕,誰就贏了。火箭也是一樣的道理,同樣的起飛重量,發射的衛星越大,有效載荷系數越大,火箭就越先進。當時長三甲的有效載荷系數是世界上是第三位。”

躋身海外,練就“國際範兒”  

1985年10月,我國宣布長征火箭投入國際衛星發射服務市場。當時國際市場上最為活躍、需求最大的是發射高軌道的地球同步通信衛星,而我國能夠發射這種衛星的只有長征三號火箭,它的地球同步轉移軌道運載能力最大也只有1.5噸,在國際市場上的競爭能力不強。

因為國內外市場的需求,特別是我國改革開放的大政方針,使火箭發射服務走出國門,將發射外國的重型商業衛星作為我國大型運載火箭研制的牽引力,才使長三乙火箭的誕生成為可能。

龍樂豪院士說︰“長三乙火箭是改革開放的產物,可以說是長征火箭走向國際市場的碩果。”

按照長征三號甲系列化研制的思路,長三乙是三級大型液體捆綁式高軌道重型運載火箭,是我國當時運載能力最大、技術最先進、構成最復雜的運載火箭,可以滿足當時國內外發射通信衛星事業的需要。

1992年,在長三甲火箭還沒有首飛,也沒有產品,長三乙火箭國家還沒有立項的情況下,型號隊伍拿著長三乙火箭的設計圖紙去同美歐航天大國游說,這種努力終于取得了成果,最終與國際通信衛星組織簽訂了發射服務合同,規定用中國的長三乙火箭于1995年底前後將美國制造的衛星發射至地球同步轉移軌道。

此後在1992年4月至1993年3月期間,用同樣的方式共簽訂了多個發射美國、歐洲衛星的合同,從而快速牽引了長三乙火箭在不到3年時間內完成國家立項。

伴隨改革開放,長三甲系列運載火箭始終堅持開放發展,積極走向國際市場,在用中國火箭技術服務世界的同時,也在國際合作中不斷提升著長三甲系列金牌火箭的綜合性能。從上世紀90年代開始,長三甲系列火箭在接口設計上充分考慮了與國際衛星的兼容性,實現了與美國、歐洲等國家和地區制造的衛星完全兼容,在發射、服務、技術等方面能夠滿足國內外用戶的需求。同時,依靠火箭可靠性高、履約能力強、保險費率低等優勢,在國際發射市場上佔據了一席之地。

據統計,截至2018年12月,長三甲系列火箭已先後承擔了16次國際商業發射任務,為多個國家和地區發射了衛星,全部取得了圓滿成功。其中,鑫諾一號衛星的發射服務項目使長三甲系列火箭打開了歐洲市場,首次與法國合作發射通信衛星,實現了與歐洲一流國際公司的接軌。在尼日利亞衛星項目中,首次實現了整星出口,首次以在軌交付方式為國際用戶提供宇航系統集成的一攬子服務。

當前,長三甲系列火箭正借力國家“一帶一路”倡議和雙邊多邊合作機制,積極拓展航天應用領域,探索從航天制造、發射、地面到系統應用的全產業鏈的“一站式”服務,面向全球提供發射服務、整星出口、技術轉讓與培訓、地面站建設等商業航天一攬子解決方案,以更加自信、更加開放的形象,努力在國際商業航天市場的激烈競爭中搶得先機。

需求牽引,打造“生命工程”  

隨著中國探月工程和北斗導航工程的立項研制,長征三號甲系列運載火箭迎來了更大的挑戰。

“正是‘需求牽引,創新驅動’,才使得長征三號甲系列運載火箭成為名副其實的‘金牌火箭’。” 中國科學院院士、中國航天科技集團一院長征三號甲系列運載火箭總設計師姜杰表示,在探月工程中,火箭實現了“零窗口”發射技術、“多窗口”發射技術、地月轉移軌道發射技術等突破,拓展了長征火箭發射能力;在北斗工程中,火箭又突破了以MEO中圓轉移軌道設計、起飛滾轉、高空風雙向風補償、遠距離測發控為代表的多項關鍵技術。

近些年,中國航天發展勢頭迅猛,長征三號甲系列運載火箭功不可沒。2018年,長三甲系列火箭共執行14次年度發射任務,創造了中國航天單一型號年度發射次數最多紀錄。在80天內執行了5次發射任務,單發任務周期16天,創造了中國航天單一型號高密度發射紀錄。

研制團隊不斷開展運載火箭技術改進和產品設計、工藝和過程質量嚴格控制,增強火箭的技術適應性和強壯性,持續提升產品質量與可靠性水平。不斷探索新形勢下我國運載火箭的研發模式,提出了運載火箭“去任務化”組批生產、多任務並行出廠發射等創新模式和有效方法,使火箭研制生產能力從一年2至3發提高到8至10發;發射周期從60天減少到21天,發射隊伍從300人降到100人左右,為高密度發射任務的圓滿完成和運載火箭管理技術的創新發展的奠定了堅實基礎。

盡管功勛卓著,但長征三號甲系列運載火箭的發展卻並不是一帆風順。1996年2月15日,長征三號乙運載火箭首飛遭遇重大失利,正是因為一個金-鋁焊接點虛接,導致控制整個火箭的慣性平台失效,火箭按照錯誤的姿態信號進行姿態糾正,最終墜毀。

苦心人、天不負,臥薪嘗膽,三千越甲可吞吳。研制團隊圍繞設計、生產、產品控制、研制管理等工作進行了全面復查,完成了12類、122項試驗,提出44項、256條改進措施,從而確保了後續飛行試驗皆獲成功,也由此衍生出了著名的“雙五條歸零”。

1997年8月20日,僅僅過了1年多的時間,長征三號乙又一次矗立在西昌衛星發射中心的發射塔架上,用連續3次發射圓滿成功,扭轉了中國航天的被動局面,挽回了長征系列運載火箭的聲譽。

由于電子器件失效而失敗後,產品的質量與可靠性問題引起了科研人員的高度重視。1997年,當時的航天總公司提出要實施“生命工程”以提高長征三號甲系列火箭的可靠性。

“要對控制系統實現系統級冗余;要提高三級動力系統可靠性。”姜杰院士說,針對這兩條,設計師隊伍編寫了長征三號甲系列“生命工程”項目表,專門開展了電子元器件可靠性增長研究工作,主要實現了姿態控制系統速率陀螺冗余,消除了速率陀螺單點失效故障模式,還重點開展了YF-75發動機結構改進工作。

100次發射僅僅是個里程碑,未來,長征三號甲系列火箭還將不斷創新,完成以助推器傘降落區控制、電氣系統一體化設計、智能檢測組合等為代表的改進,為中國航天強國建設做出更大的貢獻。

(學習軍團•解放軍新聞傳播中心融媒體)

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