北斗“專列”
——長三甲系列運(yùn)載火箭

錢 航 /文

被譽(yù)為北斗“專列”的長三甲

從2007 年發(fā)射首顆北斗衛(wèi)星起，13 年間，“金牌火箭”長三甲系列運(yùn)載火箭將所有北斗衛(wèi)星送入預(yù)定軌道，發(fā)射成功率100%。可以說長三甲系列火箭伴隨了北斗系統(tǒng)建設(shè)發(fā)展的每一步，是名副其實(shí)的北斗“專列”。

之所以能夠成為北斗“專列”，是因?yàn)殚L三甲系列火箭在最初的構(gòu)造總體規(guī)劃及總體技術(shù)方案中就具備了良好的前瞻性、全局性和適應(yīng)性。在研制初期，長三甲系列火箭研制隊(duì)伍將長三甲、長三乙、長三丙作為一組系列火箭進(jìn)行模塊化、組合化與整體化優(yōu)化設(shè)計(jì)，確定了以長三甲火箭為基本型的發(fā)展模式。

長三甲火箭是在長征三號火箭的基礎(chǔ)上采用重新設(shè)計(jì)第三級形成的大型三級低溫液體火箭，全長52.52 米，一、二子級直徑3.35 米，三子級直徑3.0 米，地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運(yùn)載能力達(dá)到2600 公斤。在長三甲火箭的芯一級捆綁4 個2.25 米的助推器就派生出了長三乙火箭，它全長54.838 米，GTO 運(yùn)載能力可達(dá)到5200 公斤，運(yùn)載能力僅低于俄羅斯的質(zhì)子號，當(dāng)時位居世界第二位。

在長三甲火箭的基礎(chǔ)上捆綁2 個2.25 米助推器，又組合成長三丙火箭，GTO 運(yùn)載能力可達(dá)到3800公斤。

從左至右依次是長三甲、長三乙、長三丙

長三甲系列火箭的發(fā)展模式是按照當(dāng)初提出的“上改下捆、先改后捆”的技術(shù)途徑實(shí)施的，體現(xiàn)了模塊化、組合化與整體優(yōu)化等先進(jìn)設(shè)計(jì)理念。這一發(fā)展思路對長三甲及其發(fā)展型火箭的形成和大型火箭的發(fā)展規(guī)劃起到了重要的指導(dǎo)作用。長三甲系列火箭共同構(gòu)成了當(dāng)時我國很長時間內(nèi)高軌道運(yùn)載能力最大、適應(yīng)性最強(qiáng)的運(yùn)載火箭系列，其運(yùn)載能力可以覆蓋世界絕大多數(shù)應(yīng)用衛(wèi)星的質(zhì)量，不僅顯著地增強(qiáng)了我國火箭在國際商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)市場上的競爭能力，也為我國未來航天事業(yè)的發(fā)展創(chuàng)造了良好條件。長三甲系列火箭運(yùn)載入軌精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)，其發(fā)射衛(wèi)星的入軌精度與阿里安、宇宙神等世界上的名牌火箭相當(dāng)，達(dá)到20 世紀(jì)末及21 世紀(jì)初世界一流水平。2019 年4 月，長三甲系列火箭成功迎來第100 次發(fā)射，成為中國航天第一個發(fā)射總數(shù)過百的系列火箭。

長三甲系列火箭既可以一箭單星，也可以一箭多星發(fā)射；既可以用于標(biāo)準(zhǔn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射，也可以用于超同步轉(zhuǎn)移軌道或低傾角同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射及深空探測器發(fā)射，還可以在飛行過程中實(shí)現(xiàn)側(cè)向機(jī)動變軌、多次起旋、消旋、定向等，從而滿足衛(wèi)星用戶多種不同使用要求。

不斷進(jìn)步的長三乙

增加液位點(diǎn)，提高火箭對任務(wù)的適應(yīng)性。

2020 年3 月9 日19 時55 分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征三號乙運(yùn)載火箭,成功發(fā)射北斗系統(tǒng)第54 顆導(dǎo)航衛(wèi)星

長征三號乙運(yùn)載火箭是長三甲系列火箭中運(yùn)載能力最大的一型火箭。該系列火箭的助推器、一子級、二子級均采用四氧化二氮+偏二甲肼的常規(guī)推進(jìn)劑組合，而第三子級采用液氧+液氫的低溫推進(jìn)劑組合。對于液體火箭而言，液態(tài)推進(jìn)劑存在易揮發(fā)、腐蝕等風(fēng)險(xiǎn)，因此在臨發(fā)射之前加注完成后，必須在一定時間內(nèi)發(fā)射出去。以常溫推進(jìn)劑四氧化二氮和偏二甲肼為例，它們加注后存儲周期是7 天左右；而低溫推進(jìn)劑液氫、液氧，它們的存儲周期則只有1 天。

對于長三乙火箭發(fā)射，低溫燃料加注預(yù)計(jì)會在發(fā)射前7 小時開始，發(fā)射前4 分半時完成。長三乙利用液氫和液氧燃燒做功，涉及困難很多。極低溫的液氫和液氧，必須在臨近發(fā)射前才能加注進(jìn)火箭，多提早幾分鐘也會有影響，因此衛(wèi)星的發(fā)射窗口是一個挑戰(zhàn)。自長三乙火箭實(shí)行“去任務(wù)化”設(shè)計(jì)以來，該火箭有個特殊“技能”：增加了液氧低溫加注液位點(diǎn)，對地面加注軟件進(jìn)行了適應(yīng)性改進(jìn)，并統(tǒng)一了液位點(diǎn)的編號。由于火箭執(zhí)行不同任務(wù)時，所需的推進(jìn)劑加注量也不同，而推進(jìn)劑加注量的多少要通過液位點(diǎn)的傳感器來檢測。增加一個液位點(diǎn)，就可以使火箭推進(jìn)劑加注量更加靈活，滿足不同的任務(wù)需求，提高火箭對任務(wù)的適應(yīng)性。

采用數(shù)據(jù)自動判讀系統(tǒng)和圖像識別技術(shù)，提高測試判讀的精度和可靠性。

雖然是勞模火箭，執(zhí)行最新任務(wù)的長三乙火箭卻一直在創(chuàng)新，在發(fā)射場測試環(huán)節(jié)，驗(yàn)證性地采用了基于人工智能算法的數(shù)據(jù)自動判讀系統(tǒng)和圖像識別技術(shù)，提高了測試判讀的精度和可靠性。

過去，測試人員人工目視測試過程，再結(jié)合測試數(shù)據(jù)，判斷箭上設(shè)備狀態(tài)是否正常。采用基于人工智能算法的數(shù)據(jù)自動判讀系統(tǒng)后，系統(tǒng)可以直接生成判讀結(jié)果，減少人為出錯的可能性，提高判讀的準(zhǔn)確性。此外，該系統(tǒng)還能自動存儲判讀結(jié)果，方便后續(xù)追溯。火箭發(fā)射前的各項(xiàng)測試中，要使用大量的機(jī)械類指針式儀表，以前，測試人員人工讀取儀表，不僅存在人為讀錯的可能性，而且對于儀表指針數(shù)值的變化，也只能依靠語言來描述。采用圖像識別技術(shù)后，可以記錄指針變化過程，并進(jìn)行判斷分析處理，這些數(shù)據(jù)將作為后續(xù)排故時的重要支撐。

2020 年6 月23 日9 時43 分，在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心，第55顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星成功發(fā)射，這是我國北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)最后一顆組網(wǎng)衛(wèi)星

為了保證火箭萬無一失，測試過程中，在使用這兩項(xiàng)新技術(shù)的同時，也依然采用了傳統(tǒng)的測試方法。后續(xù)這兩項(xiàng)技術(shù)將在型號中推廣使用。

去任務(wù)化設(shè)計(jì)讓火箭技術(shù)狀態(tài)更加穩(wěn)定，加上新技術(shù)的不斷應(yīng)用，這些都將助力長三甲系列火箭進(jìn)一步提高可靠性，在高強(qiáng)密度發(fā)射形勢下，屢創(chuàng)佳績，再鑄輝煌。