改革開放40年中國運載火箭的發(fā)展和變遷

時光荏苒，歲月如梭。在2018年，中國的改革開放事業(yè)迎來了40周年的重要歷史節(jié)點。這40年是我國的綜合國力獲得顯著提升的一段時期。在這樣的背景下，我國的運載火箭事業(yè)也獲得了長足的進步與發(fā)展。甚至可以說，我國運載火箭事業(yè)的絕大部分成就都是在這40年中取得的。

自從1970年4月24日我國成功發(fā)射長征一號運載火箭，截至改革開放之前，我國共進行了12次運載火箭發(fā)射，其中發(fā)射成功8發(fā)，成功率66.67%，可以說只是剛剛及格。而截至2018年年初，我國運載火箭總的發(fā)射次數(shù)已經(jīng)達到了297次（含長征、風(fēng)暴、開拓、快舟），總發(fā)射成功率達到了92.93%。

基于已有的運載火箭基礎(chǔ)，改革開放以來，我國的長征系列運載火箭走過了從常規(guī)推進到低溫推進、從串聯(lián)到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發(fā)射衛(wèi)星載荷到發(fā)射飛船的光輝歷程，形成了完備的運載火箭型譜，具備了發(fā)射低、中、高不同軌道、不同類型衛(wèi)星的能力，是我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)和較強國際競爭力的高科技產(chǎn)品。運載火箭技術(shù)的巨大進步不僅有力地推動了中國航天運輸系統(tǒng)的發(fā)展，而且有力地推動了我國應(yīng)用衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，帶動了我國載人航天的起步，同時對擴大我國航天領(lǐng)域?qū)ν夂献?，增強中國的科技實力、國防實力和民族凝聚力，發(fā)揮了不可低估的重要作用。

總的來說，我國的運載火箭可以分為兩代。第一代是以“長征二號”為基礎(chǔ)發(fā)展起來的，以使用有毒的常規(guī)推進劑為主。第二代是以“長征五號”研制帶動起來的，以使用液氧/煤油等無毒推進劑為主。而近年來固體小型運載火箭成為了一股新生的力量。本文將以此為主線，分析我國運載火箭發(fā)展和變遷的脈絡(luò)。

第一代運載火箭的變遷

1971年，我國第一顆返回式衛(wèi)星立項，其運載火箭被命名為“長征二號”。1975年11月26日，長征二號火箭首次發(fā)射成功。從1974年至1978年，長征二號火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心共發(fā)射4次，3次取得成功。在“長征二號”的技術(shù)基礎(chǔ)之上，通過捆綁助推器、加裝第三級等模式，發(fā)展出了多種系列的長征運載火箭。

▲ 長征家族現(xiàn)役火箭圖譜

“長征二號”為二級液體運載火箭，主要用于發(fā)射高度在500公里以下的各類近地軌道衛(wèi)星，低軌道運載能力為1.8噸?！伴L征二號”3.35米的芯級直徑，以有毒的四氧化二氮和偏二甲肼組合而成的推進劑體系，70噸級主發(fā)動機模塊，都成為后續(xù)運載火箭發(fā)展的基礎(chǔ)。

更加靈活的直系繼承者“長征二號丙”

為了進一步提高運載能力，1979年在長征二號火箭的基礎(chǔ)上改進設(shè)計了長征二號丙運載火箭，其近地軌道運載能力由原來的1.8噸提高到2.4噸，可靠性也有大幅提高?！伴L征二號丙”可以說是“長征二號”的直系繼承者。1982年9月9日，長征二號丙運載火箭首次成功發(fā)射。

1993年，“長征二號丙”承擔了發(fā)射美國摩托羅拉公司銥星的任務(wù)。根據(jù)銥星的發(fā)射要求，對火箭進行了重大的技術(shù)改進，在原二級火箭基礎(chǔ)上增加了一個使用固體動力的上面級，實現(xiàn)多星分配，一次將兩顆銥星送入630公里的圓軌道。

改進后的火箭從1997年至1999年，連續(xù)7次發(fā)射成功，將摩托羅拉公司2顆模擬星和12顆銥星送入軌道。后續(xù)“長征二號丙”對其上面級繼續(xù)進行了多次改進，能夠執(zhí)行更為靈活的發(fā)射任務(wù)。

增加捆綁助推的大力士“長征二號E”

“長征二號E”可以說是我國歷史上最具商業(yè)色彩的運載火箭。20世紀80年代，面對國際市場通信衛(wèi)星重型化的發(fā)射需求，我國決定研制在“長征二號丙”基礎(chǔ)上捆綁4個助推器的長征二號E運載火箭。當火箭尚處于紙面設(shè)計階段時，就通過對外推銷工作，獲得了美國的發(fā)射訂單?；鸺难兄平?jīng)費也是通過貸款方式解決。而為了搶時間節(jié)點，火箭的研制時間僅有18個月多一點。最終中國航天人創(chuàng)造了奇跡，于1990年7月16日成功發(fā)射了首枚長征二號E運載火箭。

長征二號E運載火箭的主要特征就是在其一級外部捆綁有4個直徑為2.25米，高約15米的助推器，整流罩最大直徑也達到了4.2米。火箭近地軌道運載能力一舉達到了9.2噸。如果加上適當?shù)墓腆w上面級，可將3噸以上的衛(wèi)星送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。

長征二號E運載火箭的研制成功，使我國首次突破了助推器捆綁技術(shù)、首次研發(fā)成功了推進劑利用系統(tǒng)和大型發(fā)射臺等36項關(guān)鍵技術(shù)，為我國的運載火箭進入國際發(fā)射服務(wù)市場，提升中國火箭的影響力起到了重要的推動作用。

插上低溫翅膀的“長征三號”

“長征三號”是一枚三級液體運載火箭，其一、二子級基本上與長征二號運載火箭的一、二子級一致，三子級采用了具有高空二次啟動能力的液氫液氧發(fā)動機。長征三號運載火箭于1984年4月8日首次飛行成功，將東方紅二號試驗通信衛(wèi)星送入預(yù)定的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。1990年4月，它首次執(zhí)行外星發(fā)射服務(wù)合同，成功發(fā)射了亞洲一號衛(wèi)星。

液氫的沸點是-253℃，液氧的沸點是-183℃，液氫和液氧在常溫下極易揮發(fā)，而且氫氣屬于易燃易爆品，一旦泄露后果不堪設(shè)想。這些特性給液氫和液氧的生產(chǎn)、貯存、運輸和使用帶來了很多難題。另外，液氫液氧發(fā)動機還需要在高空失重狀態(tài)下進行二次啟動，發(fā)動機的研制難度極大。長征三號運載火箭的研制成功使我國成為世界上第四個具有地球同步衛(wèi)星發(fā)射能力的國家，也為我國全面掌握低溫推進技術(shù)奠定了基礎(chǔ)。

后續(xù)在“長征三號”的基礎(chǔ)上又發(fā)展出了長征三號甲系列火箭。通過一系列的技術(shù)改進，以及加裝0～4個不同數(shù)量的助推器，長征三號甲系列火箭運載能力更大，而且可以靈活適應(yīng)地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射需求，也對我國探月工程起到了開拓性的作用。

擁有常規(guī)動力三級的“長征四號”

“長征四號”原來是被作為“長征三號”的備案進行研制的。因為當時許多人認為研制以液氫液氧為推進劑的低溫三子級在技術(shù)上較為困難，為了保證發(fā)射地球同步軌道通信衛(wèi)星國家任務(wù)的按時完成，所以同時開展了使用常規(guī)推進劑三子級的性能較低的“長征四號”的研制。

“長征三號”發(fā)射成功之后，“長征四號”待命發(fā)射地球同步軌道通信衛(wèi)星的使命便自然宣告結(jié)束，轉(zhuǎn)而進行改造以發(fā)射風(fēng)云一號氣象衛(wèi)星。1988年7月，“長征四號”首次投入使用，成功地將我國第一顆試驗氣象衛(wèi)星送入了太陽同步軌道?！伴L征四號”研制成功，使我國運載火箭的工作范圍得以覆蓋包括太陽同步軌道在內(nèi)的全部地球軌道。

長征四號運載火箭是在改進長征三號運載火箭一、二級的基礎(chǔ)上，新研制第三級而發(fā)展起來的，火箭各級全部使用四氧化二氮和偏二甲肼常溫推進劑。在繼承“長征三號”成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，“長征四號”在新研制的第三級上采用了更多先進的技術(shù)措施，如數(shù)字式姿態(tài)控制系統(tǒng)。

能夠承載航天員的“長征二號F”

“長征二號F”是按照發(fā)射載人飛船的要求，在“長征二號E”的基礎(chǔ)上，以提高可靠性、確保安全性為目標研制的運載火箭?！伴L征二號F”的飛行可靠性超過0.97，主要用于向近地軌道發(fā)射神舟飛船和大型目標飛行器。

▲ 長征二號F火箭發(fā)射“神舟五號”

“長征二號F”為確保航天員的安全增加了故障檢測處理系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)，其作用是在飛船入軌前，監(jiān)測運載火箭狀態(tài)，若發(fā)生重大故障，將攜帶航天員脫離危險區(qū)。為了能夠準確判明故障，設(shè)計團隊花了4年多時間，設(shè)想了310種故障模式，進行多輪篩選后，歸納整合出19種故障模式，通過大量仿真試驗確定航天員實施逃逸的參數(shù)閾值，最后確定了合理的判據(jù)，實現(xiàn)了預(yù)期目標。

“長征二號F”可以說是中國長征系列運載火箭家族中的“明星”，它自1992年開始研制，于1999年11月19日首次發(fā)射并成功將中國第一艘實驗飛船神舟一號飛船送入太空，2003年10月15日首次將中國的航天員送入太空。

新一代運載火箭的發(fā)展

▲ 長征六號火箭

新一代運載火箭，是我國為了因應(yīng)推進劑無毒化，并提升航天運載能力而于2006年開始研制的火箭系列。新一代運載火箭使用YF-100、YF-77發(fā)動機作為主要動力，采用無毒無污染的液氧、液氫、煤油作為主要推進劑，近地軌道運載能力最大達到25噸、地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力最大達到14噸。能夠大幅提升我國進入空間的能力，滿足發(fā)射未來月球探測工程較大規(guī)模的月球返回探測器、載人航天工程的20噸級空間站等大型有效載荷的需求。

我國新一代運載火箭遵循“一個系列、兩種發(fā)動機、三個模塊”的總體思路，并貫徹“通用化、組合化、系列化”的設(shè)計思想。據(jù)此，我國研制了包括芯級直徑5米的長征五號系列大型運載火箭、芯級直徑3.35米長征七號系列中型運載火箭和長征六號小型運載火箭在內(nèi)的新一代運載火箭系列。

2015年9月20日，長征六號運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心“一箭20星”首飛成功。2016年6月25日，長征七號運載火箭從海南文昌航天發(fā)射場首次成功發(fā)射，這也是文昌航天發(fā)射場的首次發(fā)射任務(wù)。2016年11月3日，長征五號運載火箭在海南文昌發(fā)射場成功發(fā)射。

固體運載火箭的破局

隨著小衛(wèi)星技術(shù)的發(fā)展，小衛(wèi)星的地位越來越高，作用也越來越大，對運載火箭提出了新的要求。以往的搭載、組批發(fā)射已經(jīng)越來越難以滿足小衛(wèi)星的發(fā)射需求。另外由于小衛(wèi)星技術(shù)迭代更新快速，射前準備簡單，這又推動了靈活快速響應(yīng)發(fā)射的需求。而應(yīng)對這些新的發(fā)射需求，固體小型運載火箭是最好的選擇。目前我國已經(jīng)發(fā)射成功的固體運載火箭主要有“長征十一號”“快舟一號甲”和“開拓二號”等3個型號。

長征十一號運載火箭是一型四級全固體運載火箭，于2015年9月25日完成首飛，是中國長征系列運載火箭家族第一型固體運載火箭?；鸺睆?米，起飛推力達到了120噸，700公里太陽同步軌道運載能力400千克，低軌運載能力可達700千克?；鸺烧w貯存，操作簡單，可在接到任務(wù)命令后24小時內(nèi)完成星箭技術(shù)準備和發(fā)射任務(wù)，其中在發(fā)射點的發(fā)射準備時間不大于1小時，具備“日發(fā)射”能力?；鸺捎昧四軌蜃灾饕苿?、完成測試準備的機動發(fā)射平臺，實現(xiàn)了不需要專門的火箭發(fā)射場，只要一片平地的無依托發(fā)射能力。

▲ 長征十一號火箭發(fā)射效果圖

快舟一號甲運載火箭是在原“快舟一號”星箭一體化運載器的基礎(chǔ)上，改進研制的一款通用型固體運載火箭，于2017年1月9日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心完成首飛?；鸺睆?.4米，700公里太陽同步軌道運載能力200千克，近地軌道運載能力300千克?；鸺捎萌壒腆w動力+末級液體助推的串聯(lián)式布局，由移動發(fā)射車在普通硬實地面實施發(fā)射，不需要復(fù)雜的發(fā)射塔架，簡化了發(fā)射保障設(shè)施。

“開拓二號”屬于開拓號系列固體運載火箭，于2017年3月3日在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心首次發(fā)射成功?；鸺睆?.7米，700公里太陽同步軌道運載能力250千克，近地軌道運載能力350千克。

改革開放40年以來，中國航天的運載火箭技術(shù)取得了長足的進步，先后自主研制出了十余種不同型號的運載火箭，具備了發(fā)射近地軌道、太陽同步軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道、月球轉(zhuǎn)移軌道空間飛行器的運載能力。運載火箭在可靠性、安全性和發(fā)射成功率上均達到了國際先進水平，并且成功地躋身國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)市場。

展望未來，我國的載人航天、深空探測等航天活動需要有更大能力的運載火箭來承載，近地軌道大型星座需要運載火箭能夠支持大規(guī)模、低成本進入空間。一個國家的火箭運載能力有多強，航天舞臺就有多大，運載火箭技術(shù)的發(fā)展前景依然遠大。

我們相信，隨著社會主義市場經(jīng)濟的發(fā)展，運載火箭的研制和開發(fā)也必然更多地走向軍民融合、多主體參與、市場化開發(fā)的道路。那時，百花競放，百舸爭流，我國的運載火箭事業(yè)必然會迎來一個更為繁榮的明天。