中国的“长征”系列火箭

一、中国的“长征”系列火箭

1．）“长征1号”火箭

“长征1号”运载火箭（代号CZ－1）是为发射我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”而研制的。1970年4月24日，“长征1号”首次发射我国第一颗人造地球卫星“东方红1号”，一举成功。

“长征1号”火箭结构包括整流罩、三级仪器支架、支承固体发动机的转接锥、遥测仪器舱、控制仪器舱、四个推进剂贮箱、两个尾段、级间分离结构、防热底、底部防热结构，以及输送系统的管道、气瓶、自动器，还有一些火工品结构。它们由运载火箭总体设计部负责设计，大部分由运载火箭总装厂进行生产。

“长征1号”结构在短短的几年间就达到了相当的水平，靠的是材料研究、工艺研究、强度理论研究、强度试验以及科学而又精心的设计、制造。

（1）掌握级间分离和级间结构设计技术

“长征1号”确定了采用杆式级间段排焰、前贮箱用玻璃钢保护，采用直接承力爆炸螺栓连接、分离的方案。此外还精心地选择了分离程序。由于工作做得扎实，使空中的分离一次成功。

（2）共底贮箱

“长征1号”火箭又细又长，细长比为13比1。压缩总的长度对于减少飞行载荷、减小稳定系统负担，极为重要。因此，在选取第二级火箭方案时，氧化剂箱和燃料箱采用了共用箱底技术。此外，还采用锥形承力后箱底，使数十吨发动机推力直接作用在箱体上。这两项措施，使火箭总长度减少2米，结构重量也减少了200多千克。“共底”结构提出了许多新的要求。一旦“共底”破裂和渗漏，氧化剂和燃料碰在一起就要爆炸。为确保安全，研制中特意进行了长达半年的浸泡试验和两次考核“锥底”动力强度的试车，以求做到万无一失。此外，设计上还采取了严格防止误操作的措施。

新型贮箱的研制，不仅满足了“长征1号”总体的要求，也给后来的火箭贮箱设计提供了经验。

（3）采用整流罩“水平抛脱”方案

火箭穿越大气层时保护第三级和卫星的整流罩，是由两瓣“船”形扣合在一起的“锥—柱”筒。按照原设计方案，采用脱钩的方式抛脱。地面试验时发现这种方案可靠性不高。于是，改用解锁后快速水平平抛方案。多次试验后，整流罩可以每秒8米的速度，平稳而迅速地离开。

（4）钛合金高压气瓶及其他新结构

在“长征1号”以前，一直采用高强度钢气瓶作为高压容器。为了减轻重量，新研制了钛合金高压气瓶。我国冶金系统为“长征1号”改用钛合金气瓶提供了原材料；机械工业系统为钛合金气瓶的成型作出了努力。结果，使每个气瓶的重量减轻了一半。通过钛合金气瓶的研制，我国掌握了一整套钛合金成型工艺、焊接工艺和检验方法，推动了钛合金在国民经济中的应用。

此外，在“长征1号”上，还采用不锈钢丝网套加强的波纹补偿管，各种规格的高精度气路、液路自动器和液位计量器，高可靠的爆炸螺栓、电爆活门，并且建立了一整套保证它们可靠工作的工艺流程和检验、检测制度。

“长征1号”第一、二级使用的是液体燃料火箭发动机。第一级发动机代号YF－2A，是四机并联的百吨级推力发动机。第二级发动机代号YF－3，是在高空工作的发动机。它们都是由液体火箭发动机研究所设计，运载火箭总装厂生产的。这两种发动机不仅使“长征1号”获得可靠的动力保证，而且还为我国大型火箭发动机研制、设计、生产、试验奠定了基础。

“长征1号”控制系统（含滑行段姿控系统）的研制，难度比较大。不仅控制对象复杂、问题多，而且研制条件差。1965年开始研制时，我国年轻的电子工业、精密仪表工业所能提供的器件品种有限，可靠性也不高。控制系统研究所和惯性器件研究所的研究设计人员，冷静地分析了国情，群策群力，寻找实际情况许可的好办法。经过三年艰苦的努力，研制出在我国经济和技术条件下所能达到的，又符合要求的控制系统。

“长征1号”上装着3套飞行测量系统和2套安全自毁系统。它们传输飞行中各系统工作的信息和火箭运动参数，如果飞行发生故障，它们就根据地面指令或火箭上的自毁指令在空中把火箭炸毁，以保证航道上人民生命财产的安全。

（1）大容量遥测系统

“长征1号”上装有两套遥测系统，一套在第二级，负责从起飞到二、三级分离的参数测量和信息传输；另一套较小，装在第三级，负责从三级点火到三级与卫星分离的参数测量和信息传输。遥测系统的核心编码发送装置，由遥测设备研究所研制。测量信号用的各种传感器，难度大的，如液位传感器，也由遥测设备研究所设计，遥测设备制造厂生产。发射用的天线，是由北京特殊机电研究所天线设计室特别设计制作的。

大容量遥测系统的使用，使“长征1号”测量参数数量猛增到几百个。而且，遥测系统从一开始，就以其可靠性高和准确性好完成了多次火箭总装测试及飞行测量任务。这是与系统的设计质量良好和生产厂家认真严格的作风分不开的。

（2）外弹道测量系统

为了测量和实时显示火箭飞行位置和运动参数，“长征1号”上装有外弹道测量系统。它是我国第一次投入使用的大型外弹道测量工程的箭上设备。系统按多普勒测速原理工作。其中，连续波雷达应答机提供测速信号，单脉冲雷达应答机提供测距、测俯仰角和方位角信号。另外，还有引导雷达应答机、安全指令接收机等设备。全部箭上设备，由第四机械工业部第十研究院研制和生产。

（3）安全自毁系统

“长征1号”的飞行如果发生故障，可采用两种手段进行自毁：一是箭上的自毁系统，分辨出程序和姿态故障后，立即接通箭上爆炸器电源使火箭自毁。二是用外测系统，由地面发出自毁指令，接通爆炸器电源。自毁系统由控制系统研究所研制。爆炸器由第五机械工业部提供。

对自毁系统最主要的要求是高可靠。该炸时必须炸，不该炸时绝对不许炸。为了提高系统抗干扰能力，采取独立电源等一系列措施。1966年还专门进行了地面自毁试验，检查了爆破效果。

“长征1号”的安全自毁系统，在飞行过程中，还及时将工作完毕的第一级和第二级火箭在空中炸毁，从而保证了航区上我国居民和在海上航行船只的安全。

2．）“长征2号”火箭

“长征2号”（代号CZ－2），是为发射我国低轨道的重型卫星而研制的运载火箭。它能把1800千克重的卫星，送入数百千米高的椭圆轨道。它是以远程火箭为原型研制的。

在我国，研制远程火箭的初期，就把发射低轨道重型卫星的任务列入了计划。1970年，在远程火箭的基础上，开始了“长征2号”的研制工作。经过三年紧张的工作，“长征2号”第一发于1974年11月5日发射，由于一根导线的断裂，造成整个飞行试验失败。经过一年的努力，在采取了一系列提高产品可靠性的措施后，1975年11月26日，“长征2号”成功地发射了我国第一颗返回式卫星。此后，又分别于1976年12月7日和1978年1月26日成功地发射了两颗返回式卫星。接着，根据发射卫星的需要，又对“长征2号”运载火箭作了适应性的技术状态的修改，使火箭的技术性能和运载能力有所改进、提高。之后，分别于1982年9月9日、1983年8月19日、1984年9月12日和1985年10月21日，发射了4颗返回式卫星，都取得了圆满成功。一系列成功的发射，表明“长征2号”设计方案正确，性能稳定，质量可靠，可用于商业卫星的发射，向国内外用户提供发射服务。

“长征2号”箭上计算机，由微电子研究所设计和生产。1965年开始研制，用不到一年的时间，就提供了微型薄膜混合组件全量型数字计算机。“长征2号”用的制导计算机，最初是按通用机设计的，组件多，可靠性差。后来由于制导方案从理论上解决了用增量制导计算机代替全量制导计算机的问题，使箭上计算机结构大为简化，组件减少了一半，大大提高了计算机的可靠性。这种计算机属于世界上第三代计算机，是60年代出现的新技术，体积小、重量轻、功耗小、可靠性高。这是在方案设计阶段，采取措施大幅度提高可靠性的突出事例。

“长征2号”的第二批产品，采了箭测方案，即利用箭上计算机加上若干地面设备对火箭控制系统进行测试。微电子研究所的沈绪榜、廖道义为实现这一方案提出了具体措施，对箭上计算机进行了相应的修改，经过各方面的共同努力，获得了成功，这是火箭测试技术的一个进步。

运载火箭的控制系统采用什么执行机构是设计中碰到的又一关键问题。“长征2号”以前的型号都是用燃气舵提供控制力矩来控制火箭姿态的，摇摆发动机方案比燃气舵方案具有无可比拟的优越性，特别是在大型运载火箭所需控制力矩很大的情况下，更是如此。如果沿用燃气舵方案则要加大舵面尺寸，降低发动机比推力和增加结构重量，还会给火箭在飞行中带来不稳定的因素。要保证火箭稳定飞行还必须加大尾翼，这又给运输增加了困难。当然，遥摆发动机也将带来一系列新问题，诸如发动机适应摇摆的总体布局，摇摆软管和常平座（它固定在箭体上不随发动机摇摆）的研制，摆动发动机的底部防热等。此外，控制发动机摆动的液压伺服机构的研制，也是当前控制领域中比较复杂的一项新技术。

“长征2号”以前的火箭推进剂输送系统，曾采用气瓶贮气增压法。这种方法对于大型运输火箭来说在技术上已显得很落后，使系统的尺寸和重量大大增加。为适应“长征2号”研制的需要，必须采用比较先进实用的增压方案。1965年下半年，对贮箱增压系统提出了两种方案，经过比较，采用氧化剂系统使用四氧化二氮蒸发器和燃料系统使用降温器的自生增压方案。

这个方案在技术上有一定继承性。因为以往的型号就采用过液氧蒸发器增压，有使用经验和换热器设计经验。另外，这种增压方案与气瓶贮气增压法相比，在技术上无疑是一个进步，可以大大减轻系统的重量和缩小系统的尺寸，这在当时是国内最先进的。1967年6月，在液体火箭发动机研究所热力试验室进行第一次自生增压试验，以后又进行了多次自生增压和燃气增压系统试验，性能良好，工作可靠。经过多次飞行试验的考核，证明方案是成功的。

减轻运载火箭的结构重量，是提高运载能力的一个重要手段，而推进剂贮箱是全箭的主要部件之一。“长征2号”一、二级贮箱长度占全箭总长的64%，它既是贮存推进剂的容器，又是主要的承力构件。因此，在贮箱设计时选用什么样的材料就成为能否减重的关键。根据材料性能和国内的生产情况进行全面比较，最后决定采用铝铜合金作结构材料。这种材料的比强度较高，比用铝镁合金结构可减重约30%。仅这项措施就可以增加几百千克的运载能力，这是很可观的。

“长征1号”一级发动机单机推力为28吨，而“长征2号”发动机要在它的基础上一跃而为单机推力70吨。

“长征2号”发动机的研制工作，严格按照科研规律办事，做到了四个坚持，即始终坚持“质量第一”和“可靠性第一”的原则；坚持先进的设计与现实的可能相结合的设计思想；坚持从难从严地模拟飞行条件进行地面考核试验；坚持设计与生产实践相结合的原则。“长征2号”发动机在经过各种地面试验后装箭使用，在历次发射卫星的任务中表现了高可靠性。这些成绩的取得，是和研制人员自始至终严格按照科研规律办事分不开的。

3．）“长征3号”火箭

“长征3号”运载火箭是由于发射地球同步静止轨道试验通信卫星而一鸣惊人。

1984年1月29日，“长征3号”火箭在西昌卫星发射中心首次试飞，因第三级火箭二次起动发生故障，发射只获得基本成功。这是一次向36000千米赤道上空轨道攀登的预演。两个月后的4月8日，“长征3号”火箭再次发射，将一颗试验通信卫星送上地球同步转移轨道，4月16日卫星成功定点于东经125°赤道上空，进行通信广播和电视传输获得成功。这是中国航天技术的一次飞跃，在向太空的进军中取得了重大成就。

早在1977年，中国就把研制地球静止轨道通信卫星提上日程，同时也提出了研制先进的“长征3号”运载火箭的任务。曾经参加和主持过多次火箭研制和发射试验的火箭专家谢光选，担任了新型“长征3号”运载火箭的总设计师。他率领一大批科技人员，倾注全部精力和智慧，突破了许多技术难关，其中最主要的是解决了火箭第三级采用低温高能的液氢液氧发动机和在高空失重条件上发动机二次启动技术的问题。

“长征3号”是中国搭向地球同步轨道的天梯。它是一种三级液体火箭，其中第三级采用了高能低温的液氢液氧发动机，成为其最突出的一大特点，表明中国运载火箭技术已达到世界先进水平。火箭全长43．25米，第一、二级直径3．35米，第三级直径2．25米，起飞质量202吨，起飞推力284吨，其同步转移轨道的运载能力为1．4吨。“长征3号”火箭发射通信卫星成功后，美国科学家惊呼：这确实是一个里程碑，中国的火箭指令和控制设备已相当高级，表明中国完成精确的火箭推进计算能力有了突破。美国航宇局局长打电报表示祝贺，称“仅有可数几个国家达到了这次发射所显示的技术能力”，并称这是“中国在和平利用太空方面的重大进展”。

迄今，“长征3号”火箭已经连续成功发射同步静止轨道通信卫星8次，其中尤以承担发射亚洲1号和亚太1号两颗美国研制的通信卫星而驰名全球。1990年4月7日，“长征3号”火箭将亚洲1号通信卫星送上太空，首次完成为国外发射商用卫星的任务，标志中国的运载火箭进入国际空间技术的商务领域，在国际航天技术市场占有了一席地位。中国运载火箭技术研究院的负责人称：“长征3号”火箭的最大特点是第三级采用了低温高能的液氢液氧发动机，并由此需要解决一系列复杂而特有的技术问题，这代表现代火箭技术的新水平。它的多次发射成功，表明中国运载火箭技术进入了世界先进行列。1994年7月21日，中国又用“长征3号”火箭成功地将美国休斯公司为亚太通信卫星有限公司制造的第一颗通信卫星亚太1号准确送入预定轨道，标志着中国运载火箭承揽国际商务卫星发射进入一个新的阶段。

1994年2月8日，中国发射一种新型运载火箭“长征3号”甲。“长征3号”甲火箭是为发射新型通信广播卫星而研制的，在“长征3号”的基础上改进而成。火箭全长52．52米，火箭直径、整流罩均超过长征3号。“长征3号”甲同样是三级液体火箭，第一、二级为常规燃料，第三级为液氢液氧燃料；第三级为液氢液氧燃料；第三级把直径由2．25米增大到了3米，并增加了贮箱长度，装推进剂由8．2吨增加到17．6吨。整个火箭起飞质量240吨，起飞推力300吨，其同步转移轨道的运载能力由原来的1．4吨提高到2．6吨。它是中国目前高轨道上运载能力最大的火箭，具有一箭多星适应多种轨道卫星发射要求的能力。它的首次发射成功表明，中国运载火箭的发射能力提高到了一个新水平。

1994年11月30日，“长征3号”甲火箭再显神威，把中国新一代通信卫星“东方红3号”发射升空，标志着中国运载火箭技术发展上了一个新台阶。“长征3号”甲仅不适用于各种大、小了星发射的需要，有很强的适应能力，而且具有很大的发展潜力。如用“长征3号”甲作芯级，采用已经成熟的捆绑技术，可发展成为新的“长征3号”乙、和“长征3号”丙火箭，形成运载能力最大的火箭群体。

为此，中国运载火箭技术研究院提出了在“长征3号”甲的基础上研制“长征3号”乙和“长征3号”丙两种火箭，在第一级捆绑4个液体助推器，名为“长征3号”乙；在第一级捆绑两个液体助推器，名为“长征3号”丙。1995年初，这两种新型火箭已与国外签订了发射服务合同。

将来的“长征3号”乙火箭，除推进剂贮箱加长和加强、星罩加大外，芯级与“长征3号”甲相同，但内部有所修改，采用了30多项新技术，可将5吨重的有效载荷送入地球同步转移轨道。“长征3号”丙比“长征3号”乙少了两个液体助推火箭，它的地球同步转移轨道运载能力为3．7吨。这两种新型火箭均长54．838米。它们的主要用途是发射地球同步转移轨道卫星，或兼其他轨道的双星、多星发射，在技术上继承了现有火箭型号的经验，可靠性高，适应性强，运载有力大。它们今后将参与国际商业发射竞争。

4．）“长征4号”火箭

中国在研制“长征3号”火箭的同时，它的同宗型号“长征4号”火箭也诞生了。

1988年9月7日，在太原卫星发射中心，用第一枚“长征4号”运载火箭发射第一颗“风云1号”气象卫星成功，卫星准确进入900千米高的太阳同步轨道运行。至此，中国长征系列火箭覆盖了所有轨道，具有发射各种轨道卫星的能力。

“长征4号”是一种三级都采用常温燃料的液体火箭。它是在改进“长征3号”运载火箭一、二级的基础上，新研制第三级而发展起来的，火箭各级全都使用四氧化二氮和偏二甲肼常温推进剂，技术上成熟，且有较好的继承性。它的二级火箭与“长征3号”的二级完全相同，而一级火箭的推进剂贮箱比“长征3号”加长了4米，增加了40吨推进剂，一级4台发动机的地面总推力由2746千牛增大到2942千牛。长征4号第三级采用了先进和数学式控制系统，其中数字式网络的精度高，抗干扰能力强，应变性能好，数字式调零方案精度比机电式调零装置提高了一倍，增加了火箭起飞的可靠性；双向摇摆伺服机构，用一个液压能源带动两个作动器，使重量功率比达到了世界先进水平。第三级发动机由两台独立工作的单机并联组成，可双向摆动，单台推力49千牛，每台允许沿相互垂直的两个方向摆动，可以在真空中二次启动。三级发动机采用辐射冷却的铌合金喷管延伸段，比冲和推力重量比居于中国常温推进剂发动机的首位，达到了国际先进水平。

“长征4号”火箭全长41．9米，第一、二级直径为3．35米，第三级直径2．9米，起飞质量249吨，起飞推力300吨，其地球同步转移轨道的运载能力为1．25吨，太阳同步轨道的运载能力为1．65吨，还可将3．8吨重的有效载荷送入高400千米、倾角为70度的圆轨道。它由于全部采用常温燃料，研制成本和发射费用都比采用液氢液氧燃料低，而且可靠性高、适应性强、操作使用方便，可在国内各发射场用来发射各种用途的卫星。“长征4号”在研制中采用的自动化控制系统、数字网络控制系统、双向摇摆伺服机构、三级单层结构共底贮箱等，表明运载火箭技术日臻成熟，达到了比较先进的水平。

1990年9月3日，“长征4号”运裁火箭发射第二颗“风云1号”气象卫星。当天北京夏令时间9时53分，在太原卫星发射中心，高耸在发射架上的长征4号点火升空，17秒后向南转弯，飞越晋、陕、川、黔、滇五省，飞行694秒后在越南上空星箭分离，准确地把卫星送入901千米高的极地轨道运行，胜利完成发射任务。从此，“长征4号”作为可靠的卫星运载火箭投入商业发射市场。