中國(guó)航天實(shí)現(xiàn)首次海上發(fā)射—揭秘CZ－11海射型運(yùn)載火箭及其發(fā)射服務(wù)應(yīng)用

尚輝 張飛霆 邵旭東 孟翔 李同玉 （中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院

作為我國(guó)首個(gè)海上發(fā)射運(yùn)載火箭，以及全球首型面向微小衛(wèi)星及其星座發(fā)射的海射火箭，長(zhǎng)征11號(hào)（CZ－11）海射型火箭于2019年6月5日成功首飛。通過(guò)繼承“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭已有型號(hào)的成熟技術(shù)并應(yīng)用新的海上發(fā)射模式，該運(yùn)載火箭具有任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)、航落區(qū)限制少、安全性高、國(guó)際化運(yùn)營(yíng)潛力大等優(yōu)勢(shì)。CZ－11海射型火箭可將有效載荷發(fā)射到高度200～1000 km、傾角從太陽(yáng)同步軌道到近赤道軌道范圍的各種低地球軌道，為全球微小衛(wèi)星提供了一種更加靈活、可靠和經(jīng)濟(jì)的新型發(fā)射服務(wù)。

1 概述

近年來(lái)，全球微小衛(wèi)星產(chǎn)業(yè)發(fā)展迅速，產(chǎn)生了多種基于微小衛(wèi)星（含小衛(wèi)星、微衛(wèi)星、納衛(wèi)星）開(kāi)展業(yè)務(wù)應(yīng)用的發(fā)射需求，特別是在大量微小衛(wèi)星星座等待部署的情況下，涌現(xiàn)出了對(duì)經(jīng)濟(jì)性、可靠性和快速響應(yīng)能力的迫切需求。

為滿足這一市場(chǎng)領(lǐng)域的發(fā)射需求，我國(guó)首個(gè)固體航天運(yùn)載火箭型號(hào)—長(zhǎng)征11號(hào)（CZ－11）完成研制，并于2015年9月成功首飛。在CZ－11火箭的基礎(chǔ)上，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院推出了針對(duì)微小衛(wèi)星的發(fā)射服務(wù)并推向國(guó)內(nèi)外商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)。此后4年間，CZ－11火箭成功完成了6次發(fā)射，將多顆國(guó)內(nèi)外研制的微小衛(wèi)星準(zhǔn)確送入軌道，得到了國(guó)內(nèi)外航天界的廣泛認(rèn)可。

CZ－11火箭以面向低軌道中小型航天器發(fā)射為服務(wù)定位，并具有機(jī)動(dòng)發(fā)射能力好、發(fā)射環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、發(fā)射保障要求較低等特點(diǎn)。基于此特點(diǎn)，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院提出將其發(fā)射工位從陸基改為?；?，通過(guò)適應(yīng)性改造，形成一款新的海上發(fā)射火箭的設(shè)想。

運(yùn)載火箭海上發(fā)射是基于船舶、海工平臺(tái)等海上移動(dòng)平臺(tái)，在海域發(fā)射點(diǎn)開(kāi)展的火箭發(fā)射。海上發(fā)射方式，使運(yùn)載火箭能夠在海洋上自由選擇發(fā)射位置，將打破發(fā)射場(chǎng)緯度的束縛，提高火箭的任務(wù)適應(yīng)性，滿足從我國(guó)現(xiàn)有陸上發(fā)射場(chǎng)發(fā)射時(shí)難以有效滿足的低傾角低軌中小衛(wèi)星的發(fā)射需求。

國(guó)際上最早開(kāi)發(fā)并開(kāi)展發(fā)射服務(wù)應(yīng)用的海射運(yùn)載火箭為海射天頂號(hào)火箭。該項(xiàng)目于20世紀(jì)90年代提出，將火箭用船舶載往太平洋上赤道海域的選定地點(diǎn)，開(kāi)展地球同步軌道衛(wèi)星的發(fā)射服務(wù)。自1999年首飛到2014年俄烏兩國(guó)關(guān)系惡化、項(xiàng)目停運(yùn)，海射天頂號(hào)火箭共進(jìn)行了36次發(fā)射，成為國(guó)際通信衛(wèi)星商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)主力之一，市場(chǎng)份額名列前茅。從該型火箭的研制和應(yīng)用過(guò)程可以看出：相比傳統(tǒng)的陸上發(fā)射模式，海上發(fā)射是一種靈活、高效、經(jīng)濟(jì)的新型發(fā)射模式。相對(duì)于中高緯度發(fā)射場(chǎng)，海上低緯度發(fā)射則具有地轉(zhuǎn)初速大、無(wú)需降傾角變軌的優(yōu)勢(shì)，使天頂號(hào)運(yùn)載火箭的同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力從3.5t大幅提升到6.1t。同時(shí)，利用海域上空作為運(yùn)載火箭的航區(qū)、落區(qū)，火箭飛行避開(kāi)人口稠密區(qū)域上空，可提高安全性。

在國(guó)內(nèi)外發(fā)射需求的拉動(dòng)，尤其是國(guó)際市場(chǎng)低傾角低軌中小衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)項(xiàng)目的牽引下，在各上級(jí)機(jī)關(guān)和有關(guān)單位的支持下，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院抓總開(kāi)展了固體運(yùn)載火箭海上發(fā)射技術(shù)開(kāi)發(fā)，進(jìn)行了CZ－11海射型火箭研制工作。經(jīng)過(guò)近3年的工作，CZ－11海射型火箭于2019年6月5日成功首飛，并開(kāi)始向國(guó)內(nèi)外市場(chǎng)提供發(fā)射服務(wù)。

2 海上發(fā)射的優(yōu)勢(shì)

采用海上發(fā)射技術(shù)可使運(yùn)載火箭具備多種優(yōu)勢(shì)，可進(jìn)一步提升運(yùn)載火箭的發(fā)射服務(wù)能力。

任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)，經(jīng)濟(jì)性好

傳統(tǒng)的低傾角發(fā)射需求主要來(lái)自以地球同步軌道衛(wèi)星為代表的低傾角高軌衛(wèi)星；低軌道的發(fā)射需求則通常為以太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星為代表的中高傾角軌道衛(wèi)星。經(jīng)過(guò)幾十年的發(fā)展，我國(guó)形成了以“長(zhǎng)征”系列為代表的多型運(yùn)載火箭，形成了基于現(xiàn)有4個(gè)陸地發(fā)射場(chǎng)的發(fā)射能力，較好滿足了這些需求。而近幾年，國(guó)內(nèi)外低軌衛(wèi)星技術(shù)和應(yīng)用快速發(fā)展，出現(xiàn)了越來(lái)越多的低傾角低軌衛(wèi)星，這與之前衛(wèi)星的目標(biāo)軌道差別較大，對(duì)我國(guó)火箭發(fā)射服務(wù)能力提出了新的要求。

按照軌道動(dòng)力學(xué)規(guī)律，當(dāng)目標(biāo)軌道傾角低于發(fā)射場(chǎng)緯度時(shí)，需進(jìn)行降低傾角的軌道機(jī)動(dòng)。軌道高度越低，這種機(jī)動(dòng)消耗的能量越多，運(yùn)載火箭和航天器動(dòng)力系統(tǒng)的能力損失就越大。對(duì)于低傾角低軌衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)，降傾角機(jī)動(dòng)所需能量消耗過(guò)大，技術(shù)與經(jīng)濟(jì)可行性差，無(wú)法有效開(kāi)展。我國(guó)現(xiàn)有發(fā)射場(chǎng)中，西昌和文昌發(fā)射場(chǎng)的緯度較低。對(duì)于傾角低于19°的低傾角低軌發(fā)射任務(wù)，這兩個(gè)發(fā)射場(chǎng)的現(xiàn)役火箭型號(hào)由于降傾角機(jī)動(dòng)造成大量運(yùn)載能力損失，常常無(wú)法高效率執(zhí)行低傾角低軌發(fā)射任務(wù)，甚至無(wú)法完成接近0°傾角的任務(wù)。

若火箭從更低緯度地區(qū)發(fā)射，則可免去降傾角軌道機(jī)動(dòng)，有效完成低傾角發(fā)射任務(wù)。同時(shí)又可通過(guò)調(diào)整火箭發(fā)射方向，兼容中高傾角發(fā)射任務(wù)，增強(qiáng)火箭的任務(wù)適應(yīng)性。還可以有效利用地轉(zhuǎn)速度提升發(fā)射初速度，從而進(jìn)一步提升火箭運(yùn)載能力。但在我國(guó)境內(nèi)已難以新建更低緯度的陸上發(fā)射場(chǎng)。

我國(guó)擁有300萬(wàn)平方千米的主張管轄海域，南北緯度跨度大，同時(shí)鄰接著廣闊的太平洋海域。通過(guò)海上發(fā)射，發(fā)揮廣大海域的有利地理?xiàng)l件，可大幅降低發(fā)射點(diǎn)緯度，從而大幅提高低傾角任務(wù)發(fā)射效率。同時(shí)這些海域均可開(kāi)展太陽(yáng)同步軌道等中高傾角發(fā)射任務(wù)，使運(yùn)載火箭具有更強(qiáng)的任務(wù)適應(yīng)性。

突破航落區(qū)限制，增強(qiáng)任務(wù)安全性

隨著經(jīng)濟(jì)和社會(huì)的不斷發(fā)展，建設(shè)在陸地上（尤其內(nèi)陸地區(qū)）的發(fā)射場(chǎng)，所發(fā)射運(yùn)載火箭的落區(qū)問(wèn)題逐年凸顯出來(lái)?，F(xiàn)有陸上發(fā)射場(chǎng)運(yùn)營(yíng)過(guò)程中，航區(qū)、落區(qū)要避開(kāi)人口與經(jīng)濟(jì)密集區(qū)。一方面，多數(shù)任務(wù)受到限制，輕則火箭運(yùn)載能力損失、重則無(wú)法完成任務(wù)。另一方面，部分任務(wù)開(kāi)展期間需安全撤離，給人民生產(chǎn)、生活帶來(lái)了不便。即便如此，國(guó)內(nèi)外民眾目睹火箭殘骸墜落在生產(chǎn)生活設(shè)施周?chē)刃侣勅圆粫r(shí)見(jiàn)諸媒體。

采用海上發(fā)射模式，通過(guò)靈活選擇發(fā)射點(diǎn)，可最大限度地將航區(qū)、落區(qū)分布在無(wú)人海域，從而有效避免火箭殘骸對(duì)地面人員、財(cái)產(chǎn)等造成的風(fēng)險(xiǎn)，大幅提高安全性，減少發(fā)射活動(dòng)對(duì)人民群眾生產(chǎn)、生活的影響。也可突破航區(qū)、落區(qū)選擇對(duì)任務(wù)的局限，優(yōu)化彈道設(shè)計(jì)，最大程度地發(fā)揮火箭運(yùn)載能力。

國(guó)際化運(yùn)營(yíng)潛力大

據(jù)統(tǒng)計(jì)，包括亞太、東南亞及非洲低緯度地區(qū)“一帶一路”沿線國(guó)家以及中美洲地區(qū)各國(guó)，世界有40億人生活在南北緯15°的低緯度地區(qū)。全球重要的海運(yùn)通道和航線也有相當(dāng)一部分處在低緯地區(qū)。低傾角低軌道衛(wèi)星可以通過(guò)數(shù)量較少的衛(wèi)星快速覆蓋相關(guān)地區(qū)，提供通信、遙感等服務(wù)，助推地區(qū)發(fā)展。通過(guò)海上發(fā)射可高效建設(shè)更適用于這些低緯度國(guó)家與地區(qū)的低傾角衛(wèi)星系統(tǒng)，滿足應(yīng)用需求。

另一方面，通過(guò)發(fā)展海上發(fā)射技術(shù)，使長(zhǎng)征火箭逐步具備實(shí)施全球海域發(fā)射能力，使國(guó)際發(fā)射服務(wù)不再局限于國(guó)內(nèi)發(fā)射場(chǎng)，為開(kāi)展“送發(fā)射上門(mén)”、“合作發(fā)射”等新合作模式提供技術(shù)基礎(chǔ)，為國(guó)際航天合作開(kāi)辟新的途徑，使長(zhǎng)征火箭更具國(guó)際競(jìng)爭(zhēng)力，為更多的國(guó)家提供更多樣的服務(wù)，助推中國(guó)航天進(jìn)一步走出國(guó)門(mén)、進(jìn)入國(guó)際市場(chǎng)。

3 火箭總體情況

CZ－11海射型運(yùn)載火箭

CZ－11海射型與從中國(guó)內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)發(fā)射的CZ－11標(biāo)準(zhǔn)型的火箭基本一致，為四級(jí)固體運(yùn)載火箭，總長(zhǎng)20.8m，起飛質(zhì)量57t，最大直徑2m。該運(yùn)載火箭由以下主要子系統(tǒng)組成：箭體結(jié)構(gòu)，推進(jìn)系統(tǒng)，控制系統(tǒng)，遙測(cè)系統(tǒng)和航區(qū)安全系統(tǒng)。

1）箭體結(jié)構(gòu)。箭體結(jié)構(gòu)主要包括有效載荷整流罩、有效載荷適配器、儀器艙、級(jí)間段、尾段、子級(jí)分離結(jié)構(gòu)和機(jī)構(gòu)以及電纜蓋等。

2）推進(jìn)系統(tǒng)。在推進(jìn)系統(tǒng)中，四個(gè)子級(jí)都采用了固體發(fā)動(dòng)機(jī)作為主動(dòng)力，并采用了反作用控制系統(tǒng)。

3）控制系統(tǒng)。控制系統(tǒng)主要由制導(dǎo)和導(dǎo)航系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、綜合電子系統(tǒng)以及測(cè)發(fā)控系統(tǒng)組成。制導(dǎo)和導(dǎo)航系統(tǒng)采用激光捷聯(lián)慣性導(dǎo)航系統(tǒng)和衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)。姿態(tài)控制系統(tǒng)采用三通道數(shù)字設(shè)計(jì)。測(cè)發(fā)控系統(tǒng)采用地面測(cè)試和箭上測(cè)試相結(jié)合的模式。

4）遙測(cè)系統(tǒng)。遙測(cè)系統(tǒng)采用基于地面和衛(wèi)星中繼完成運(yùn)載火箭飛行過(guò)程的遙測(cè)和跟蹤。

CZ－11海射型火箭箭體結(jié)構(gòu)

CZ－11海射型火箭不同傾角圓軌道的運(yùn)載能力

5）航區(qū)安全系統(tǒng)。在飛行中，航區(qū)安全系統(tǒng)將持續(xù)監(jiān)控火箭的關(guān)鍵功能。一旦發(fā)生飛行偏離等嚴(yán)重故障，系統(tǒng)將發(fā)出指令，以啟動(dòng)火箭自毀機(jī)制，保護(hù)地面安全。

4 發(fā)射服務(wù)性能

CZ－11海射型火箭通過(guò)采用海上發(fā)射使發(fā)射位置能夠靈活選擇，可將有效載荷發(fā)射到各種高度和各種傾角的近地球軌道，典型任務(wù)為軌道高度200～1000km的圓軌道，軌道傾角方面則覆蓋了從赤道軌道到太陽(yáng)同步軌道的全部范圍。

運(yùn)載能力

CZ－11海射型火箭的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射能力是：500km赤道地球軌道（傾角0°）為620kg，500km太陽(yáng)同步軌道（SSO）為430kg。對(duì)于200～1000km的圓軌道，傾角不同則運(yùn)載能力不同。此外，根據(jù)任務(wù)需要，CZ－11海射型火箭也可完成各種橢圓軌道發(fā)射任務(wù)。

入軌精度和航天器姿態(tài)調(diào)整精度

CZ－11海射型火箭的入軌精度可列出如下（3σ精度要求）。

星箭分離前，CZ－11海射型火箭可根據(jù)用戶需求進(jìn)行航天器最后階段的姿態(tài)調(diào)整。滾動(dòng)、俯仰和偏航的角度偏差（3σ）都小于2°，對(duì)應(yīng)的角速度偏差（3σ）也小于 2 °/ s。

CZ－11海射型火箭的入軌精度

整流罩包絡(luò)和有效載荷接口

兩種類(lèi)型的整流罩為可用于不同任務(wù)的、外徑分別為1.6m和2.0m的整流罩?？梢愿鶕?jù)任務(wù)要求調(diào)整包絡(luò)圓柱段的長(zhǎng)度。整流罩的錐段部分本身是透波的。如任務(wù)需要，也可在圓柱形部分上設(shè)置透波窗口。對(duì)于較小的衛(wèi)星，有多種機(jī)械接口可供用戶選用，如立方星分離機(jī)構(gòu)、輕型包帶、點(diǎn)式分離機(jī)構(gòu)等。

整流罩有效載荷包絡(luò)

5 發(fā)射操作和飛行時(shí)序

火箭在裝配廠房中完成總裝、測(cè)試后，完成有效載荷對(duì)接和整流罩封裝操作。

隨后，將火箭吊裝至發(fā)射車(chē)上并轉(zhuǎn)運(yùn)到海港。發(fā)射車(chē)裝船后，發(fā)射船啟航。在到達(dá)海上發(fā)射位置后，火箭完成測(cè)試、起豎等準(zhǔn)備工作。在遙測(cè)跟蹤控制船的控制和監(jiān)測(cè)下，火箭點(diǎn)火升空，將有效載荷送至目標(biāo)軌道。

除由發(fā)射船運(yùn)往發(fā)射點(diǎn)的航行時(shí)間外，發(fā)射準(zhǔn)備操作的標(biāo)準(zhǔn)周期為7天。

在裝配廠房中的有效載荷對(duì)接操作

海上發(fā)射塔架

轉(zhuǎn)運(yùn)火箭

海上發(fā)射平臺(tái)

CZ－11海射型火箭典型飛行時(shí)序

CZ－11標(biāo)準(zhǔn)型和海射型的飛行記錄

6 發(fā)射服務(wù)應(yīng)用示例

為更好的說(shuō)明CZ－11海射型為微小衛(wèi)星提供服務(wù)的能力，作為示例，假定要發(fā)射一個(gè)由2顆微衛(wèi)星（Microsat）和多顆納衛(wèi)星（Nanosat）組成的衛(wèi)星群，目標(biāo)軌道為15°傾角的近赤道軌道。圍繞這個(gè)假定的低傾角發(fā)射需求開(kāi)展分析，并給出發(fā)射服務(wù)解決方案。

發(fā)射服務(wù)需求

有效載荷為4顆微衛(wèi)星，每顆發(fā)射質(zhì)量為75kg，每個(gè)發(fā)射質(zhì)量為7kg的18顆納方星（3U規(guī)格的立方星）。目標(biāo)軌道是一個(gè)軌道平面接近赤道平面的圓軌道，其高度500km、傾角15°。

發(fā)射服務(wù)解決方案

在任務(wù)分析之后，為4個(gè)微衛(wèi)星選擇了標(biāo)準(zhǔn)660型星箭接口，為18顆立方星選用了3U規(guī)格的立方星分離機(jī)構(gòu)（每套質(zhì)量1kg），設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的衛(wèi)星支架結(jié)構(gòu)。為完成分離控制，選用了CZ－11火箭多星分離控制器提供各分離機(jī)構(gòu)的分離配電。

4個(gè)微衛(wèi)星及其星箭接口的發(fā)射質(zhì)量總計(jì)為360kg，18個(gè)3U立方體及其分離機(jī)構(gòu)的發(fā)射總質(zhì)量為144kg。

CZ－11對(duì)目標(biāo)軌道的發(fā)射能力為600kg?？紤]到有效載荷的安裝結(jié)構(gòu)和其他輔助設(shè)備的質(zhì)量，發(fā)射能力足以完成任務(wù)。

考慮到軌道傾角、降落區(qū)域、任務(wù)給養(yǎng)便利性等因素，僅從理論上可行的角度，可選取海南島南端中國(guó)領(lǐng)海海域的發(fā)射位置。

7 CZ－11標(biāo)準(zhǔn)型和海射型的飛行任務(wù)情況

CZ－11前6次發(fā)射任務(wù)體現(xiàn)出其高入軌精度的優(yōu)勢(shì)，實(shí)測(cè)入軌精度比允許誤差高1～2個(gè)數(shù)量級(jí)。

8 結(jié)論

通過(guò)繼承“長(zhǎng)征”系列運(yùn)載火箭已有型號(hào)的成熟技術(shù)并采用新的海上發(fā)射模式，CZ－11海射型火箭具有任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)、航落區(qū)限制少、安全性高、國(guó)際化運(yùn)營(yíng)潛力大等優(yōu)勢(shì)。作為我國(guó)首個(gè)海上發(fā)射航天運(yùn)載火箭，以及全球首型面向微小衛(wèi)星及其星座發(fā)射服務(wù)的海射火箭，CZ－11海射型火箭的研制與應(yīng)用，為全球微小衛(wèi)星業(yè)界提供更加靈活、可靠和經(jīng)濟(jì)的新型發(fā)射服務(wù)。長(zhǎng)征火箭將以更加優(yōu)良的發(fā)射服務(wù)推動(dòng)全球航天產(chǎn)業(yè)發(fā)展。