CZ-3A系列運載火箭

1、CZ-3A系列運載火箭摘要 CZ-3A系列運載火箭，是指由長征三號甲（CZ-3A）及其發(fā)展型長征三號乙（CZ-3B) 和長征三號丙（CZ-3C）3種火箭組成的大型火箭群體。主要用于發(fā)射地球同步轉移軌道（GTO ）有效載荷，也可用于近地軌道（LEO）、太陽同步軌道（SSO ）以及飛往月球與火星等深空探測有效載荷的發(fā)射。該系列火箭是目前中國運載能力最大的系列火箭，也是中國跨世紀的商業(yè)應用發(fā)射的大型主力火箭。主題詞重型運載火箭,商用運載火箭，+ CZ-3A,+ CZ-3B,+ CZ-3C。 CZ-3A Launch Vehicle SeriesLong Lehao(China Academy of

2、Launch Vehicle Technology,Beijing,100076)AbstractCZ-3A launch vehicle series is a large rocket group, which consists of CZ-3A,its evolution rockets, CZ-3B and CZ-3C. It is mainly used to launch GTO payload. The LEO payload, SSO payload as well as payloads flying to the moon and Mars can also be laun

3、ched.It is the rocket series with the largest carrying capacity in China at present and the main large commercial rocket series to 21st century.Key WordsHeavy lift launch vehicle, Commercial launch vehicle,+ CZ-3A,+CZ-3B,+ CZ-3C.1引言為了更好地滿足衛(wèi)星通信事業(yè)的需要，以及開拓國際衛(wèi)星發(fā)射市場，中國研制了CZ-3A系列火箭。1986年3月，CZ-3A正式立項并開始研制，

4、經(jīng)過8年的努力，于1994年2月8日首次飛行并獲成功。1993年2月1日，CZ-3B正式立項研制，經(jīng)過3年的設計、生產(chǎn)與試驗，于1996年2月15日首飛。 1995年3月17日CZ-3C正式立項研制，至1998年底，已完成了飛行試驗前的研制工作。CZ-3A系列火箭，至今已發(fā)射8次，成功7次，將8顆衛(wèi)星送到了預定的軌道。2總體技術方案2.1總體與分系統(tǒng)方案概述CZ-3A系列火箭按照模塊化、系列化與整體優(yōu)化的原則設計。該系列的3種火箭，均為大型以至重型液體推進劑火箭。除CZ-3A為3級運載火箭外， CZ-3B 與CZ-3C均為3級半運載火箭。所謂半級，是指助推器。CZ-3B相對CZ-3A的主要區(qū)別

5、是增加了4個助推器，加強加長了箭體，加大了星罩；而CZ-3C與CZ-3B的主要區(qū)別是少了2個助推器。CZ-3A系列火箭的一、二級和助推器均采用N2O4、UDMH常溫推進劑，而三級則采用高能的LH2 、LOX低沸點推進劑；一、二級的箭體直徑均為3.35 m，助推器直徑225 m ，三級直徑3.0 m ，而星罩則有3.35 m,4.0 m,42 m 3種狀態(tài)；3種火箭中最低的總高度為52.52 m ，最高的55638 m；最輕的起飛質量為241 t，最重的為426 t；最小的起飛推力為2 962 kN，最大的為5 923 kN。3種火箭的主要總體參數(shù)及性能見表1，結構布局與外形見圖1。圖1CZ-3

6、A系列運載火箭總體布局1整流罩；2衛(wèi)星；3衛(wèi)星支架；4儀器艙；5液氫箱；6液氧箱；7二三級級間段；8三級發(fā)動機；9二級氧化劑箱；10箱間段；11二級燃料箱；12二級游動發(fā)動機；13二級主發(fā)動機；14一二級級間桿系；15一級氧化劑箱；16一級燃料箱；17一級發(fā)動機；18穩(wěn)定翼；19助推器頭錐；20助推器氧化劑箱；21助推器燃料箱；22助推器發(fā)動機。全箭由箭體結構、動力、控制、遙測、外測安全、滑行段推進劑管理與姿態(tài)控制發(fā)動機、低溫推進劑利用、分離、附加等9個分系統(tǒng)組成。火箭的設計研制是龐大的系統(tǒng)工程。以CZ-3B為例，單發(fā)火箭的儀器、設備共有1 328臺（件），使用電子元器件12萬多只。另外還有復

7、雜的地面發(fā)射支持系統(tǒng)，其單發(fā)使用的地面設備多達2 673臺（件）。表1CZ-3A系列火箭主要總體參數(shù)與性能表項目CZ-3ACZ-3BCZ-3C火箭高度/m52.5254.8/55.63854.8/55.638起飛質量/t241426345星罩直徑/m3.354.0/4.24.0/4.2箭體直徑一級/m3.353.353.35助推器/m2.252.25二級/m3.353.353.35三級/m3.03.03.0含尾翼箭體直徑/m6.3511.458.45推進劑一級N2O4/UDMHN2O4/UDMHN2O4/UDMH助推器N2O4/UDMHN2O4/UDMH二級N2O4/UDMHN2O4/UDMH

8、N2O4/UDMH三級LOX/LH2LOX/LH2LOX/LH2推進劑加注量一級/t171.8171.8171.8助推器/t437.7237.7二級/t30.7949.6149.61三級/t18.1918.1918.19發(fā)動機推力一級(起飛推力)/kN2 9625 9234 443助推器/kN4740.42740.4二級/kN789.1789.1789.1三級/kN157157157發(fā)動機比推力一級/N.s.kg-12 5502 5502 550助推器/N.s.kg-12 5502 550二級/N.s.kg-12 911(主機)/2 834(游機)2 911(主機)/2 834(游機)2 91

9、1(主機)/2 834(游機)三級/N.s.kg-14 3154 3154 315運載能力(標準GTO)/kg2 6005 1003 800全箭從最下端的尾段至頂部的星罩可分18個22個大小不同的部段，由它們構成完整的火箭箭體結構，其作用是承受火箭在運輸、吊裝和飛行中的外載荷與內力，將火箭箭體各分系統(tǒng)連成一個整體，支持各系統(tǒng)。全箭結構由助推器、一子級、二子級、三子級和衛(wèi)星整流罩（簡稱星罩）組成。助推器結構由頭錐、氧化劑箱、箱間段、燃料箱、后過渡段、尾段、尾翼、閥門和導管等組成。一子級結構由級間殼段、級間桿系、氧化劑箱、箱間段、燃料箱、后過渡段、尾段、閥門和導管等組成。二子級結構由氧化劑箱、箱間

10、段、燃料箱、閥門和導管等組成。三子級結構由衛(wèi)星支架、儀器艙、低溫共底貯箱等組成。衛(wèi)星支架是火箭與衛(wèi)星的連接承力結構，星箭對接面采用937B、1194、1194A、1666等國際通用接口。分體吊儀器艙是一金屬蜂窩錐殼和撐桿組成的圓盤狀結構,整體吊裝狀態(tài)的儀器艙是在星罩與三級箱體之間的一個殼段，高度900 mm。三子級箱體采用了外絕熱共底貯箱方案,液氫箱在上，液氧箱在下，共底凸向液氫箱，共底為雙層蜂窩夾芯真空絕熱結構，貯箱外包覆有絕熱層。星罩由端頭、雙錐段、圓柱段和倒錐段組成，分兩半殼體組裝成整體。研制過程中對箭體結構共進行了60多項靜動力試驗,各部段的剩余強度系數(shù)（實際承載能力與設計承載能力之比

11、）都在1.1以上，有的高達2.3，設計余量較大。動力系統(tǒng)的作用是為火箭飛行提供前進的動力和控制力。系統(tǒng)由火箭發(fā)動機和增壓輸送系統(tǒng)組成?；鸺破髋c一子級采用相同推力的發(fā)動機，單臺推力為740.4 kN。每枚助推器有1臺發(fā)動機，一子級發(fā)動機由4臺單機并聯(lián)組成，這4臺發(fā)動機可以單向（切向）搖擺，最大擺角10。動力輸送系統(tǒng)采用自生增壓方案。二子級由1臺主機和4個噴管構成的游動發(fā)動機組成，總推力為7891 kN，也采用自生增壓方案。游動發(fā)動機切向擺動，最大擺角60?；鸺囊?、二子級采用可貯存的N2O4UDMH作為推進劑。三子級由2臺推力為785 kN的氫氧發(fā)動機組成，每臺發(fā)動機可以雙向搖擺，最大擺角4

12、。發(fā)動機可兩次啟動。發(fā)動機噴管的膨脹比為801，真空比推力為4 315 N.skg。三子級采用高能低沸點LOXLH2作為推進劑，液氫貯箱采用常溫氦氣加自生增壓方案，而液氧貯箱則采用常溫氦氣和冷氦氣加溫增壓方案。控制系統(tǒng)的作用是控制火箭按預定程序穩(wěn)定飛行，并實施導航和制導，按要求的參數(shù)將衛(wèi)星送入軌道?？刂葡到y(tǒng)由制導、姿態(tài)控制、時序控制、電源配電等子系統(tǒng)組成。系統(tǒng)采用四軸慣性平臺和計算機制導方案及數(shù)字式姿態(tài)控制方案，采用可編程電子程配、大姿態(tài)角運動條件下俯仰、偏航、滾動三方向交連解耦雙偏差控制、工具誤差實時補償?shù)燃夹g，使火箭具有很強的適應能力。本系列火箭的控制系統(tǒng)相對以往火箭（如CZ-3），其綜合

13、程度高，明顯實現(xiàn)了小型化、輕型化。其儀器、設備的數(shù)量減少了30，種類減少了44，第3級儀器、設備的重量減輕了約60。遙測系統(tǒng)的作用是完成箭上各類遙測參數(shù)的測量、記錄和傳輸及部分參數(shù)的實時處理。系統(tǒng)采用分布式采編供電方案，即將被測信號按測點位置，就近分組，按組供電、采集、編碼。采用指令參數(shù)數(shù)字化測量、自動化供電及測試檢查、智能化數(shù)字變換器等技術。全箭遙測參數(shù)數(shù)量在603個710個范圍內，列長征系列火箭之首。儀器與設備實現(xiàn)了小型化。外測安全系統(tǒng)的作用是對火箭飛行的外彈道參數(shù)進行測量，并實施安全自毀控制。該系統(tǒng)采用了外彈道測量和安全控制合一的方案，采用地面巡回檢測系統(tǒng)。系統(tǒng)實現(xiàn)了小型化、輕型化，其二

14、、三級儀器與設備總重比CZ-3分別減少了52.6和55.7%。三級滑行段推進劑管理與姿態(tài)控制發(fā)動機系統(tǒng)的作用是在火箭滑行段進行姿態(tài)控制，對三級推進劑進行管理，關機后末速修正，星箭分離前進行姿態(tài)調整。該系統(tǒng)采用了一套肼類單組元擠壓輸送、可根據(jù)指令多次啟動的小發(fā)動機系統(tǒng)，使用低冰點單組元推進劑。低溫推進劑利用系統(tǒng)的作用是實時測量三級推進劑液位，調節(jié)液氧并控制推進劑的剩余量達最佳比例，消除因發(fā)動機性能、結構質量、推進劑加注等引起的推進劑量偏差，提高運載能力。該系統(tǒng)由箭上控制機、液位傳感器和調節(jié)閥門組成。系統(tǒng)簡單可靠。CZ-3A系列火箭的分離系統(tǒng)，包括助推器分離，一、二級分離，二、三級分離，星罩分離，

15、星箭分離等五大部分。其中助推器與芯級的分離，采用側推火箭-連桿-爆炸螺母以及球頭-球窩方案；一、二級采用熱分離方案；二、三級采用冷分離方案；星罩采用導爆索與爆炸螺栓連接解鎖，彈簧提供分離力的旋轉分離方案；星箭采用包帶連接解鎖、彈簧力分離的方案。其中有的分離部件具有0.9999的可靠度。附加系統(tǒng)的作用，是完成火箭起飛前上述主要箭上系統(tǒng)之外的輔助任務。主要包括垂直度調整、常溫推進劑加注液位和溫度測量、星罩空調、防火除濕等功能。相對以往火箭而言，本系列火箭常溫推進劑加注時采用了記憶型干簧加注液位傳感器，其可靠性較高。 2.2典型飛行程序與軌道特征參數(shù)CZ-3A系列火箭目前使用的發(fā)射場均為西昌衛(wèi)星發(fā)射

16、中心，火箭從2號發(fā)射工位起飛，該工位的地理坐標是北緯：285 ；東徑：10203；海拔高度： 1 8250 m。以發(fā)射地球同步轉移軌道為例，火箭起飛后約經(jīng)1 400 s1 600 s，實現(xiàn)星箭分離，將衛(wèi)星送入軌道，火箭完成歷史使命。3種火箭的典型飛行時序略有差異，詳見表2與圖2（圖2為CZ-3B飛行程序，另兩種火箭類似）。典型的軌道特征點參數(shù)見表3。表2CZ-3A系列火箭典型飛行時序表序號項目時間/sCZ-3ACZ-3BCZ-3C1起飛0.000.000.002程序轉彎12.0010.0010.003助推器分離127.82128.994一、二級分離147.93147.36146.665星罩分離

17、236.93199.36258.666二、三級分離264.28331.60334.007三級第1次工作開始264.28331.85334.008三級第1次關機、滑行段開始617.30632.14650.619滑行段結束、三級二次點火1 252.511 230.351 323.2410三級二次關機、末速修正開始1 374.441 410.041 474.8711末速修正結束、調姿段開始1 394.441 430.041 494.8712調姿段結束、星箭分離1 474.441 510.041574.87圖2CZ-3B飛行程序圖表3典型的軌道特征點參數(shù)表事件相對速度/m.s-1飛行高度/km地面航程

18、/km彈道傾角/()CZ-3ACZ-3BCZ-3ACZ-3BCZ-3ACZ-3BCZ-3ACZ-3B起飛0.000.001.8251.8250.000.0090.0090.00助推器關機2 242.9653.9468.7224.80助推器分離2 282.7555.3671.7824.51芯一級關機2 274.922 735.7855.6370.9679.07108.1719.5521.71一、二級分離2 284.652 740.4956.8072.4782.25111.9519.2221.48星罩分離3 576.273 317.84118.97131.51324.88307.199.9912.

19、78二級主機關機4 075.415 148.02134.17190.26403.34744.779.614.33二級游機關機4 088.845 164.81137.84192.15423.01769.769.274.10二、三級分離4 087.565 164.49138.56192.51426.95774.769.194.05三級一次關機7 392.047 358.01195.27204.342 291.532 466.22-0.12-0.003滑行段開始7 399.477 362.95195.18204.322 316.632 491.18-0.110.006三級二次啟動7 407.517

20、373.72194.86200.116 583.737 061.320.17-0.033三級二次關機9 796.219 792.29212.94219.917 855.148 532.122.353.025末速修正9 802.079 791.53222.68231.628 044.298 719.973.093.81星箭分離9 741.469 724.21287.95304.588 792.929 466.116.056.88注：此表只列出了CZ-3A與CZ-3B的參數(shù)，CZ-3C與CZ-3B的數(shù)據(jù)較接近，故從略。本文作者為中國運載火箭技術研究院副院長,長征三號甲、乙、丙火箭總設計師作者單位:

21、龍樂豪(中國運載火箭技術研究院，北京，100076)(待續(xù))收稿日期:1998-12-28CZ-3A系列運載火箭(續(xù))龍樂豪摘要 CZ-3A系列運載火箭，是指由長征三號甲（CZ-3A）及其發(fā)展型長征三號乙（CZ-3B) 和長征三號丙（CZ-3C）3種火箭組成的大型火箭群體。主要用于發(fā)射地球同步轉移軌道（GTO ）有效載荷，也可用于近地軌道（LEO）、太陽同步軌道（SSO ）以及飛往月球與火星等深空探測有效載荷的發(fā)射。該系列火箭是目前中國運載能力最大的系列火箭，也是中國跨世紀的商業(yè)應用發(fā)射的大型主力火箭。主題詞重型運載火箭,商用運載火箭，+ CZ-3A,+ CZ-3B,+ CZ-3C。LM-3A

22、 Launch Vehicle SeriesLong Lehao(China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing,100076)AbstractLM-3A launch vehicle series is a large rocket group, which consists of LM-3A,its evolution rockets, LM-3B and LM-3C. It is mainly used to launch GTO payload. The LEO payload, SSO payload as well as pay

23、loads flying to the moon and Mars can also be launched.It is the rocket series with the largest carrying capacity in China at present and the main large commercial rocket series to 21st century.Key WordsHeavy lift launch vehicle, Commercial launch vehicle,+ CZ-3A,圖4CZ-3A SSO運載能力圖5CZ-3A地球逃逸軌道運載能力圖8CZ

24、-3B地球逃逸軌道運載能力圖9CZ-3C GTO運載能力圖10CZ-3C SSO運載能力圖11CZ-3C地球逃逸軌道運載能力2.4飛行結果CZ-3A系列火箭，從1994年2月起到1998年7月止，共發(fā)射了8次，將8顆不同的應用衛(wèi)星送入了預定軌道。其中有中國生產(chǎn)的空間環(huán)境探測衛(wèi)星、模擬試驗衛(wèi)星各1顆，DFH-3通信衛(wèi)星2顆，另外4顆均為外國設計制造的大容量通信衛(wèi)星，詳見表4。表4CZ-3A系列火箭發(fā)射記錄衛(wèi)星火箭衛(wèi)星用戶衛(wèi)星制造商發(fā)射軌道衛(wèi)星質量kg發(fā)射日期結果i/()hp/kmha/kmSJ-4KF-1CZ-3ACASTCALTCASTCALT28.528.520020036 19336 19

25、33961 3421994-02-08成功DFH-3CZ-3A中國廣播衛(wèi)星公司CAST28.520036 1932 232.41994-11-30成功Intelsat-ACZ-3BIntelsatSS/L(美)24.520035 7864 593.71996-02-15失敗DFH-3(第2顆)CZ-3A中國廣播衛(wèi)星公司CAST28.520036 1932 266.61997-05-12成功MabuhayCZ-3B菲律賓衛(wèi)星公司SS/L(美)24.520047 9243 775.11997-08-20成功APSTARRCZ-3B亞太衛(wèi)星公司SS/L(美)24.520047 9243 746.71

26、997-10-17成功CHINA-STAR-1CZ-3B中國東方衛(wèi)星公司LMOC24.520085 0002 916.81998-05-30成功SINOSAT-1CZ-3B鑫諾衛(wèi)星公司AS(法)19.060035 7862 832.21998-07-18成功實際飛行結果表明，CZ-3A、CZ-3B的各種性能已經(jīng)達到以至優(yōu)于原設計值，現(xiàn)列舉如下：a) 入軌精度。衛(wèi)星的實際入軌精度遠遠高于設計值，這表明制導系統(tǒng)實際的方法誤差與工具誤差都比預計的小得多。各次發(fā)射的入軌精度列于表5。 表5CZ-3A與CZ-3B的入軌精度表參數(shù)CZ-3ACZ-3B實際偏差允許偏差F2偏差F3偏差F4偏差F5偏差F1F2

27、F3實際允許實際允許實際允許實際允許軌道傾角i/()0.1080.05-0.0220.210.0710.212-0.0080.2120.0050.368-0.0010.24近地點幅角/()0.226-0.035-0.1440.60-0.040.2560.0110.256-0.0100.3840.0490.337近地點高度hp/km3.394.3811.86301.331.91.15031.91.52722.7820.03933.42遠地點高度ha/km60.68-3.70-58.53120-1604.7(*)383.8-1.490383.816.1081509.2-0.610450.9注：表中

28、F1表示該火箭第1次飛行，F(xiàn)2表示第2次飛行，其余類推；*表示該值超出設計值，是因為三級推進劑利用系統(tǒng)故障，但衛(wèi)星仍被送入超同步轉移軌道。 b) 最大擺角。在各次飛行中，各級發(fā)動機的實際擺角也很小，表明姿態(tài)控制系統(tǒng)有足夠的控制力，各次飛行中各飛行工作段發(fā)動機實際最大擺角數(shù)值列于表6。表6最大擺角實際值()飛行時段理論值一級10二級58.5三級一次4三級二次4CZ-3AF11-2.18-7.451.151.422-2.577.38-0.84-0.443-1.695.920.970.474-2.16-8.08-0.63-0.87F211.80-7.080.911.3523.20-10.660.80

29、0.5331.294.100.700.4342.388.771.101.1F31-2.18-12.440.910.862-1.32-7.020.290.343-1.79-9.570.720.274-1.18-6.340.690.78CZ-3BF212.05-6.900.501.122-3.33-8.790.550.5531.577.940.750.7044.497.720.901.35F315.08-8.640.421.6522.61-5.72-0.51-0.603-3.998.880.650.4741.96-8.07-0.64-1.21F412.89-6.600.41-0.1722.92-9

30、.190.38-0.6432.92-9.530.840.2142.5413.400.61-0.19F512.02-7.020.701.3222.08-7.020.480.7632.24-7.190.780.3341.98-6.270.721.07c) 最大姿態(tài)角偏差。歷次飛行中，火箭的姿態(tài)角遠小于設計值，表明火箭飛行平穩(wěn)，姿態(tài)控制系統(tǒng)性能良好。歷次飛行中理論與實際的最大偏差值列于表7。 表7最大姿態(tài)角偏差飛行時段偏航角最大偏差/()俯仰角最大偏差/()滾動角最大偏差/()實際理論實際理論實際理論CZ-3ACZ-3BCZ-3ACZ-3BCZ-3ACZ-3B一級1.584.66102.18-5.2

31、6102.983.7810二級0.703.80153.163.75151.34-2.3910三級一次1.483.21122.261.4122.992.3410滑行1.232.2124.39-1.9112-1.412.0610三級二次0.70-5.1812-2.50-2.36122.461.8810d) 運載能力。根據(jù)歷次飛行中實測的三級液氫液氧剩余量，扣除其中應留的安全余量后，將剩下的部分用盡，并換算到標準GTO，則可得出各次飛行中火箭實際達到的運載能力，詳見表8。 表8運載能力表型號CZ-3ACZ-3B飛行次數(shù)F1F2F3F2F3F4F5運載能力/kg2 6692 6372 7205 080

32、5 1005 1625 204推進劑利用系統(tǒng)工作狀態(tài)正常調節(jié)正常調節(jié)正常調節(jié)錯誤調節(jié)不調節(jié)，搭載試驗正常調節(jié)正常調節(jié)e) 力學環(huán)境。歷次飛行中，實測星箭界面處的低頻振動、噪聲等力學環(huán)境表明：星箭界面處的縱向、橫向低頻振動載荷耦合分析結果可以覆蓋遙測結果，遙測結果與耦合分析結果的變化趨勢相同，而且兩者的主要峰值頻率也相接近。這里不再作全面介紹，僅列舉了CZ-3B發(fā)射MABUHAY等衛(wèi)星時的部分數(shù)據(jù)，詳見圖1216。圖12一二級分離后星箭界面軸向低頻振動的遙測結果與載荷耦合分析結果CHINASTAR-1/CZ-3B圖13MDP狀態(tài)星箭界面橫向低頻振動的遙測結果與載荷耦合分析MABUHAY/CZ-3B圖14MDP狀態(tài)星箭界面橫向低頻振動的遙測結果與載荷耦合分析圖15CZ-3B Y2Y5跨音速段星罩內噪聲的遙測結果與相應的ICD要求圖16CZ-3B Y2Y5起飛段星罩內噪聲的遙測結果與相應的ICD要求2.5主要特點 從技術方面看，CZ-3A系列火箭有以下主要特點： a) 充分地實現(xiàn)了模塊化、系列化以及整體優(yōu)化設計，相互間的繼承性很好，共用性強，這為本系列火箭良好的可靠性、經(jīng)濟性奠定了重要基礎。 b) 技術新、性能先進。由于設計目標高，為了達到火箭的總體技術性能指標，在設計與制造過