北斗專列—CZ-3A系列火箭發(fā)展回顧和未來展望

張亦樸，周天帥，劉立東，李 聃，胡 煒

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

2020年6月23日，長征三號乙遙六十八火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了北斗工程第55顆全球?qū)Ш叫l(wèi)星，即北斗三號最后一顆衛(wèi)星，標志著我國全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建成。

我國衛(wèi)星導(dǎo)航工程按照“三步走”的發(fā)展路線，經(jīng)過了北斗一號、北斗二號、北斗三號工程共3期的研制工作，最終建成了北斗三號全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。三期北斗工程的所有衛(wèi)星，均由CZ-3A系列運載火箭進行發(fā)射，包括北斗一號衛(wèi)星4次發(fā)射，北斗二號衛(wèi)星18次發(fā)射，北斗三號衛(wèi)星22次發(fā)射，共計44箭、59星，發(fā)射任務(wù)均取得了圓滿成功，北斗工程發(fā)射任務(wù)的成功率達到100%。

CZ-3A系列火箭基本型共有3款火箭，如圖1所示。其中CZ-3B、CZ-3C是在CZ-3A火箭的基礎(chǔ)上分別捆綁了4枚助推器和2枚助推器，CZ-3B、CZ-3C火箭也有部分衍生構(gòu)型[1-3]。我國分別使用了CZ-3A系列運載火箭的7個構(gòu)型：CZ-3A、CZ-3B/G1、CZ-3B/G3、CZ-3B/YZ-1、CZ-3C、CZ-3C/G2、CZ-3C/YZ-1，完成了北斗衛(wèi)星的全部發(fā)射任務(wù)。

圖1 CZ-3A系列火箭基本構(gòu)型圖Fig.1 Configurations of LM-3A series launch vehicle

本文對CZ-3A系列運載火箭進行簡介，對北斗工程研制中的運載火箭技術(shù)發(fā)展進行系統(tǒng)梳理和總結(jié)，分析了北斗工程發(fā)射任務(wù)情況，并對未來的技術(shù)發(fā)展進行展望。

1 CZ-3A系列火箭簡介

CZ-3A系列火箭為三級液體中型運載火箭，三級發(fā)動機具備二次啟動能力，主要用于發(fā)射中軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛(wèi)星、地球同步轉(zhuǎn)移軌道(Geostationary Transfer Orbit，GTO)衛(wèi)星和深空探測等有效載荷。

CZ-3A系列研制中，按照“上改下捆、先改后捆、堅持三化、統(tǒng)籌發(fā)展”的總體方案，在CZ-2C火箭的基礎(chǔ)上，首先研制火箭氫氧三子級構(gòu)成CZ-3A 火箭，作為火箭系列化的第一步，再以CZ-3A作為芯級，捆綁4枚或者2枚助推器，形成CZ-3B 和CZ-3C 火箭。

1986年2月，中國新一代通信衛(wèi)星工程正式立項，CZ-3A作為工程配套的火箭也正式啟動研制工作，在充分繼承CZ-3火箭成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破了以大推力氫氧發(fā)動機、動調(diào)陀螺四軸平臺、冷氦加溫增壓和氫氣能源雙擺伺服機構(gòu)4大關(guān)鍵技術(shù)為代表的上百項新技術(shù)項目，使我國運載火箭技術(shù)跨上一個新臺階；同時也使我國火箭GTO 運載能力達到了2 600 kg，提升了中國運載火箭在國際衛(wèi)星發(fā)射市場上的競爭力。1994年2月8日，CZ-3A火箭首飛發(fā)射實踐四號衛(wèi)星和模擬星獲得圓滿成功；CZ-3A火箭主要任務(wù)包括DFH-3平臺通信衛(wèi)星、北斗一號衛(wèi)星、北斗二號IGSO軌道衛(wèi)星、嫦娥一號探測器、風云二號衛(wèi)星等。2007年10月24日，CZ-3A火箭發(fā)射中國首個月球探測器嫦娥一號圓滿成功,共計發(fā)射12顆北斗衛(wèi)星。2007年6月15日，CZ-3A 火箭被中國航天科技集團公司授予“金牌火箭”稱號，27次發(fā)射全部圓滿成功。

以CZ-3A火箭為基礎(chǔ)，上改下捆，研制了CZ-3B 火箭，經(jīng)過多年改進，逐步發(fā)展出CZ-3B/G1～G5共5個構(gòu)型。盡管在1996年2月15日首飛發(fā)射國際708衛(wèi)星失敗，但完成全面的質(zhì)量整頓和徹底歸零后，CZ-3B火箭鳳凰涅槃，浴火重生，圓滿完成了以馬部海通信衛(wèi)星、亞太二號R通信衛(wèi)星、中衛(wèi)一號通信衛(wèi)星、鑫諾一號、亞太6號通信衛(wèi)星等為代表的多項國外商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，真正走出國門，在國際商業(yè)發(fā)射市場中占據(jù)了一席之地。CZ-3B火箭及其各種改進構(gòu)型是CZ-3A系列火箭的主力火箭，主要發(fā)射高軌通信衛(wèi)星、北斗二號的MEO軌道衛(wèi)星、北斗三號衛(wèi)星和風云四號氣象衛(wèi)星等。2013年12月2日，CZ-3B火箭將嫦娥三號探測器送入太空，為探測器月面軟著陸，開展月面原位探測與自動巡視探測奠定了堅實基礎(chǔ)。2018年12月8日，CZ-3B火箭將嫦娥四號探測器送入太空，實現(xiàn)了人類首次月背軟著陸。截止到2020年10月，CZ-3B火箭共發(fā)射70次。

依托于我國第一代中繼衛(wèi)星工程，研制了配置2枚助推器的CZ-3C火箭。2008年4月25日，CZ-3C火箭首飛發(fā)射天鏈一號01星圓滿成功，標志著中國突破了非全對稱火箭設(shè)計技術(shù)，中國高軌任務(wù)運載能力分布更加合理，實現(xiàn)了CZ-3A 系列火箭真正的系列化、組合化。CZ-3C火箭標準地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力達到3 900 kg。截止到2020年10月，CZ-3C火箭共發(fā)射17次，全部獲得圓滿成功。CZ-3A系列火箭現(xiàn)役構(gòu)型如圖2所示，各構(gòu)型運載能力和發(fā)射次數(shù)如表1所示。

圖2 CZ-3A系列火箭現(xiàn)役構(gòu)型圖Fig.2 Configuration of available LM-3A series launch vehicle

CZ-3A、CZ-3B和CZ-3C火箭的起飛質(zhì)量分別為243,456和366 t，總長度分別約為52.5,56.5,56.3 m。助推器直徑2.25 m，一、二子級直徑3.35 m，三子級直徑3 m。有效載荷整流罩柱段直徑分別為3.35,4.2,4.0 m?；鸺破鳌⒁?、二子級以N2O4/UDMH為推進劑，三級以低溫LOX/LH2為推進劑。

2 北斗一號工程期間的技術(shù)發(fā)展

1994年，經(jīng)過充分論證，北斗一號工程立項，為雙星有源定位的試驗系統(tǒng)。北斗一號衛(wèi)星采用東方紅三號平臺，衛(wèi)星質(zhì)量約為2 300 kg，需要運載火箭送入GTO軌道。當時國內(nèi)運載火箭具備高軌發(fā)射能力的僅有CZ-3、CZ-3A，CZ-3火箭的GTO軌道運載能力只有1 400 kg，無法滿足任務(wù)要求，CZ-3A火箭成為了唯一的選擇。

1994年首飛后，CZ-3A火箭又完成了3次東方紅三號平臺通信衛(wèi)星的發(fā)射后，從遙五火箭開始，踏上了北斗衛(wèi)星發(fā)射的征程。

2000年的CZ-3A遙五火箭、遙六火箭，2003年的遙七火箭和2007年的遙十二火箭，成功發(fā)射了4顆北斗一號衛(wèi)星。從遙五火箭開始，CZ-3A火箭開始進行速率陀螺冗余，踏出了控制系統(tǒng)冗余的第一步；遙測系統(tǒng)改為S波段2 Mbps傳輸狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸容量增加到以前的3倍，極大地提升了數(shù)據(jù)的獲取能力。遙七火箭開始搭載激光慣組，為之后平臺/慣組主從冗余開展飛行驗證，增加了全箭出廠測試，取消技術(shù)區(qū)的分系統(tǒng)和總檢查測試，大幅優(yōu)化發(fā)射場工作流程；到遙十二火箭發(fā)射北斗一號04星時，CZ-3A火箭已成長為控制系統(tǒng)系統(tǒng)級冗余、遙測系統(tǒng)為S波段2 Mbps狀態(tài)，發(fā)射場工作周期從約50 d優(yōu)化為約30 d的可靠性高、數(shù)據(jù)獲取能力強、發(fā)射場工作周期短的低溫高軌運載火箭，這也為后續(xù)CZ-3A系列火箭成為我國“北斗專列”奠定了堅實的基礎(chǔ)。

3 北斗二號工程期間的技術(shù)發(fā)展

北斗二號為具有中國特色的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別運行于地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)、傾斜地球同步軌道(Inclin-ed Geosynchronous Orbit，IGSO)和中軌道(MEO)，需要用14枚火箭將16顆衛(wèi)星送入3種不同的轉(zhuǎn)移軌道。從2007年4月CZ-3A遙十三火箭發(fā)射北斗二號試驗星開始，CZ-3A系列火箭又進入了北斗二號衛(wèi)星的發(fā)射征程中，這次發(fā)射的是CZ-3A系列火箭的全家族。

3.1 CZ-3A火箭

CZ-3A 遙十三火箭發(fā)射北斗二號試驗星時，實現(xiàn)了8個第一次，完美地賦予了火箭新的意義，即第一次采用遠距離測試發(fā)射，第一次使用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心三號工位，第一次采用起飛滾轉(zhuǎn)定向，第一次預(yù)置全年發(fā)射軌道射前進行選擇，第一次采用雙向風補償，第一次三級發(fā)動機一次工作，第一次東南射向，第一次使用新的落區(qū)。

1)采用全新的東南射向進行軌道設(shè)計。研究規(guī)劃了新射向下火箭飛行航跡和各子級殘骸落區(qū)，相對以往，減少了一個陸上落區(qū)，將整流罩和二子級的落區(qū)均設(shè)計在海上，從而減輕了陸上落區(qū)安全保障的困難。新東南射向軌道設(shè)計方案既滿足了工程對火箭運載能力的需求，也保證了工程對IGSO/MEO衛(wèi)星部署的需要，再結(jié)合東射向發(fā)射GTO軌道設(shè)計技術(shù)，從而突破了實現(xiàn)不同軌道面星座組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射難題，為北斗二號衛(wèi)星成功組網(wǎng)打下了堅實的基礎(chǔ)。

2)首次突破了雙向風補償技術(shù)。通過引入三檔典型設(shè)計風場，改變火箭一級飛行段的俯仰程序角和偏航程序角以降低高空風引起的攻角和側(cè)滑角方式，有效減小了火箭飛行中的氣動載荷。雙向風補償技術(shù)既保證了火箭安全可靠飛行，又提高了火箭按時發(fā)射的概率。

3)率先在長征系列運載火箭上采用起飛滾轉(zhuǎn)定向技術(shù)。地面固定射向瞄準、起飛滾轉(zhuǎn)技術(shù)有效解決原地面瞄準方向與射向不一致問題，減少了地面瞄準間的改造，充分利用了發(fā)射場現(xiàn)有資源，通過合理可靠的軌道滾動程序設(shè)計，實現(xiàn)了火箭多射向發(fā)射能力，滿足了北斗二號工程對火箭組網(wǎng)任務(wù)不同射向的需求。

起飛滾轉(zhuǎn)定向首先采用現(xiàn)有的光學(xué)瞄準方法及流程，對慣性平臺按地面可用瞄準方位進行對準，然后對慣性平臺滾動通道進行加矩，使得平臺對實際的射面進行對準，待火箭飛出發(fā)射塔架后滾轉(zhuǎn)箭體，使火箭的Ⅰ-Ⅲ象限線調(diào)整到要求的射面內(nèi)，即實現(xiàn)箭體對空間方位的對準。火箭完成滾轉(zhuǎn)定向后狀態(tài)與通用的狀態(tài)一致，能充分繼承成熟的設(shè)計方式和設(shè)計成果，保證了發(fā)射和飛行可靠性。

4)首次采用三級一次工作入軌方案。將入軌航程由約8 000 km減小約4 000 km，避免了采用三級兩次工作模式下，星箭分離點位于澳大利亞中部上空，需要在澳大利亞領(lǐng)海外布設(shè)測量船或租用國外測量站的復(fù)雜、難以實現(xiàn)的測控模式。采用一次入軌方案，僅需一艘測量船即可完成入軌段的測控任務(wù)，大大簡化了測控方案，提高了測控可實現(xiàn)性和經(jīng)濟性，為工程順利實施奠定了基礎(chǔ)。

CZ-3A火箭執(zhí)行了MEO試驗星和IGSO軌道衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

3.2 CZ-3B火箭

北斗二號衛(wèi)星質(zhì)量為2 t級，IGSO軌道衛(wèi)星使用CZ-3A火箭發(fā)射即可滿足工程任務(wù)要求。對于處于同一軌道面的MEO衛(wèi)星使用CZ-3A火箭一箭一星發(fā)射有些浪費，使用CZ-3B火箭一箭雙星發(fā)射就成了必然的選擇。

基于任務(wù)要求，將CZ-3B之前采用的直徑4 m整流罩、分體吊裝狀態(tài)，改為3.7 m整流罩、整體吊裝的一箭雙星狀態(tài)，命名為CZ-3B/G1火箭，突破了大型衛(wèi)星平臺串聯(lián)雙星外支撐發(fā)射技術(shù)、低溫末級整體吊儀器艙設(shè)計技術(shù)、雙星聯(lián)合操作流程優(yōu)化技術(shù)、串聯(lián)雙星分離設(shè)計技術(shù)等多項關(guān)鍵技術(shù)，填補了我國高軌道一箭雙星發(fā)射火箭系列型譜的空白。

首次采用雙星串聯(lián)外支撐技術(shù)，研制了整體吊整流罩，優(yōu)化了火箭外形結(jié)構(gòu)，降低了飛行氣動載荷，提高了火箭運載能力，有利于分離系統(tǒng)設(shè)計，降低了發(fā)射場操作的復(fù)雜性，提高了產(chǎn)品組合化程度。CZ-3B/G1火箭外支撐串聯(lián)雙星發(fā)射結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CZ-3B/G1火箭外支撐串聯(lián)雙星發(fā)射結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of tandem duo-satellites of LM-3B/G1 launch vehicle

突破了儀器艙的輕質(zhì)化和低溫防護設(shè)計技術(shù)，創(chuàng)新研制了基于K型梁結(jié)構(gòu)的整體吊儀器艙，實現(xiàn)了低溫環(huán)境下儀器艙的優(yōu)化布局和儀器艙內(nèi)空間的合理有效利用。創(chuàng)新提出了基于大型衛(wèi)星平臺的串聯(lián)雙星安全分離設(shè)計技術(shù)，解決了雙星分離和遠場安全的技術(shù)難題，采用新的遠場分析技術(shù)。

CZ-3B火箭執(zhí)行了北斗二號MEO軌道衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

3.3 CZ-3C火箭

北斗二號衛(wèi)星工程發(fā)射GTO軌道衛(wèi)星采用的運載火箭為CZ-3C火箭，有別于以往GTO軌道發(fā)射采用的火箭，它是我國第一枚非軸對稱構(gòu)型大型液體運載火箭。俯仰、偏航兩個通道氣動特性完全不同，姿態(tài)控制系統(tǒng)重新進行了設(shè)計，也是我國首型使用兩個助推器的火箭。

CZ-3C火箭執(zhí)行了北斗二號GEO軌道衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

3.4 低溫運載火箭分布式遠距離測試發(fā)射控制技術(shù)

2007年，依托于北斗二號工程研制的CZ-3A系列火箭分布式遠距離測試發(fā)射控制系統(tǒng)首次使用，適應(yīng)低溫火箭的特點，采用標準千兆以太網(wǎng)技術(shù)，通過架構(gòu)冗余、設(shè)備冗余、線路冗余、端口冗余等設(shè)計，實現(xiàn)高可靠、低延時的數(shù)據(jù)傳輸[4]。通過冗余網(wǎng)絡(luò)對分系統(tǒng)進行管理和控制，達到集中控制、統(tǒng)一管理、信息資源共享的一體化目標，實現(xiàn)了全系統(tǒng)、全參數(shù)實時處理、發(fā)布、多點實時瀏覽監(jiān)測、具備自動化指揮測試、無線信號光纖傳輸、無紙化網(wǎng)上判讀、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)冗余設(shè)計和安全控制等功能，奠定了我國低溫運載火箭遠距離測發(fā)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

3.5 其他技術(shù)發(fā)展

在北斗二號工程任務(wù)中，CZ-3A系列火箭開始應(yīng)用雙慣組+GNSS組合導(dǎo)航技術(shù)，大大提高了火箭的飛行可靠性和入軌精度，在我國運載火箭率先采用三模衛(wèi)星導(dǎo)航接收機，同時支持GPS、GLONASS和北斗二號衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GTO軌道入軌精度的半長軸偏差由幾十千米級提升到10千米級。

由于遠洋測控船數(shù)量和布局的限制，發(fā)射GEO衛(wèi)星的運載火箭在飛行時總存在一定的無線傳輸盲區(qū)，無法實時得到該時段火箭運行的信息。利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)克服了這一缺陷，可實時獲得火箭全部飛行弧段的遙測數(shù)據(jù)。在北斗二號工程任務(wù)中，CZ-3A系列在我國運載火箭中率先使用了天基測量技術(shù)，遙測數(shù)據(jù)通過中繼衛(wèi)星實時傳輸，極大降低了測控船的壓力，奠定了我國運載火箭應(yīng)用天基測控技術(shù)的基礎(chǔ)[5]，有效保證了北斗工程高密度發(fā)射任務(wù)的順利實施。

4 北斗三號工程期間的技術(shù)發(fā)展

北斗三號系統(tǒng)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，組網(wǎng)階段通過CZ-3B/YZ-1火箭的12次發(fā)射將24顆MEO衛(wèi)星直接發(fā)射入軌，通過CZ-3B/G3火箭的6次發(fā)射將3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星一箭一星發(fā)射至GTO軌道。

依托于北斗三號衛(wèi)星工程建設(shè)，研制了我國第一型可搭配基礎(chǔ)級火箭將中高軌衛(wèi)星直接發(fā)射入軌的通用上面級，在2015年發(fā)射了北斗三號IGSO軌道試驗星，推動了直接入軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺的技術(shù)發(fā)展，使我國具備了星座快速組網(wǎng)的能力。

4.1 CZ-3B/YZ-1、CZ-3C/YZ-1火箭

根據(jù)北斗三號工程MEO衛(wèi)星發(fā)射需求，研制了CZ-3B/YZ-1火箭和CZ-3C/YZ-1火箭，由基礎(chǔ)級火箭和上面級組成。利用CZ-3B火箭將YZ-1上面級和兩顆衛(wèi)星一起送入MTO軌道，或者CZ-3C火箭將YZ-1上面級和一顆衛(wèi)星一起送入MTO軌道，YZ-1上面級經(jīng)過長時間滑行后在遠地點附近變軌將衛(wèi)星直接送入MEO軌道[6]。并聯(lián)雙星發(fā)射結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CZ-3B/YZ-1并聯(lián)雙星發(fā)射結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of parallel duo-satellites of LM-3B/YZ-1 launch vehicle

4.2 YZ-1上面級

YZ-1上面級以滿足與3.35 m系列運載火箭組合一箭雙星直接入軌發(fā)射北斗三號MEO衛(wèi)星任務(wù)為目標,兼顧IGSO直接入軌任務(wù)為目標，可實現(xiàn)多次起動，能夠直接將衛(wèi)星送入MEO、IGSO等中高軌道，具備快速軌道機動、多星發(fā)射能力的上面級，是我國首個能夠直接入軌發(fā)射中高軌航天器的通用上面級。

YZ-1上面級任務(wù)性質(zhì)介于運載器與航天器之間，兼具運載器與航天器的技術(shù)特點；工作時間長于運載火箭的幾十分鐘，增長至6.5 h，經(jīng)歷與航天器相近的空間環(huán)境；以自主導(dǎo)航為主，地面測控方式為輔；發(fā)動機可多次起動，任務(wù)適應(yīng)性強；采用大推力發(fā)動機，軌道機動能力強；具備獨立的電氣系統(tǒng)，使用靈活性、通用性強。

YZ-1上面級由箭體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測量系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、衛(wèi)星供電系統(tǒng)組成。采用直筒段儀器艙儀器內(nèi)裝結(jié)構(gòu)方案，控制系統(tǒng)采用1553B總線、單機表(板)級冗余方案實現(xiàn)上面級飛行過程中的控制；采用統(tǒng)一供配電方案為控制、測量、熱控系統(tǒng)供電；測量系統(tǒng)采用非相干測量體制、Turbo編碼實現(xiàn)遠距離、高碼率的測量和測軌功能，具備上行指令和數(shù)據(jù)進行彈道重規(guī)劃能力[7]；采用以被動熱控為主、主動電加熱熱控為輔實現(xiàn)飛行過程中的熱環(huán)境控制。

目前，YZ-1通用上面級還與CZ-2C火箭搭配執(zhí)行SSO軌道衛(wèi)星任務(wù)，有效提高了CZ-2C火箭的運載能力。后續(xù)還將與CZ-2F、CZ-7火箭等搭配，可以為用戶提供不同軌道高度、不同入軌質(zhì)量的發(fā)射服務(wù)。

4.3 其他技術(shù)發(fā)展

依托于我國北斗導(dǎo)航衛(wèi)星特有的短報文功能，開展了助推器殘骸落點精準定位技術(shù)研究，將之前短則幾小時、長則大半月的殘骸定位工作時間縮短到30 min之內(nèi)，獲得了溫度、姿態(tài)、過載和圖像等大量數(shù)據(jù)，為后續(xù)傘降落區(qū)控制奠定了堅實的基礎(chǔ)。

在北斗三號工程的建設(shè)過程中，CZ-3A系列火箭開展了統(tǒng)一構(gòu)型和去任務(wù)化的工作。對CZ-3B和CZ-3C火箭各種構(gòu)型進行了統(tǒng)一，大幅提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率、技術(shù)狀態(tài)控制和產(chǎn)品過程質(zhì)量控制能力，實現(xiàn)了運載火箭真正意義的組批投產(chǎn)?！叭ト蝿?wù)化”將發(fā)次代號與具體任務(wù)載荷名稱脫鉤，實現(xiàn)了運載火箭部段級總裝、整箭級測試、任務(wù)級替換，解決了以往發(fā)射任務(wù)推遲后，同時存在的已制品長期貯存和新產(chǎn)品進度緊張的問題[8-9]。

5 北斗工程發(fā)射任務(wù)分析

北斗工程對運載火箭提出了一型火箭多軌道面組網(wǎng)發(fā)射的要求，需要CZ-3A系列火箭具備高、中軌道高度，東射向、東南射向多方向的發(fā)射能力。為確保衛(wèi)星組網(wǎng)速度，降低工程建設(shè)成本，在北斗二號工程任務(wù)期間研制了CZ-3B/G1構(gòu)型火箭，突破了外支撐串聯(lián)雙星發(fā)射技術(shù)；在北斗三號工程任務(wù)期間研制了CZ-3B/YZ-1構(gòu)型火箭，突破了并聯(lián)雙星中軌道MEO直接發(fā)射入軌技術(shù)。在火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計、分離技術(shù)、環(huán)境控制等方面取得了重大技術(shù)突破，對其他新型火箭的研制也有重要的借鑒意義。

CZ-3A系列火箭發(fā)射北斗衛(wèi)星任務(wù)統(tǒng)計情況如表2所示，通過44發(fā)火箭完成了北斗全部三期工程的發(fā)射任務(wù)，發(fā)射成功率達到100%，經(jīng)過定量評估，CZ-3A系列火箭的飛行可靠度超過了0.95(置信度0.7)，達到了國際先進水平。2000年1月—2020年7月，CZ-3A系列火箭共執(zhí)行了104次發(fā)射任務(wù)，北斗工程發(fā)射任務(wù)占比超過了40%。發(fā)射北斗工程任務(wù)分年統(tǒng)計情況如圖5所示，在型號高密度發(fā)射任務(wù)期間，北斗工程發(fā)射任務(wù)年度占比一般會達到30%～40%，其中2018年超過了70%。

表2 CZ-3A系列火箭發(fā)射北斗衛(wèi)星任務(wù)統(tǒng)計

圖5 CZ-3A系列火箭發(fā)射北斗工程任務(wù)分年統(tǒng)計Fig.5 Annual launches of LM-3A series for Beidou mission

6 未來展望

CZ-3A系列火箭為20世紀80年代啟動研制的火箭，通過持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和可靠性成果的工程應(yīng)用，成為國內(nèi)首個實現(xiàn)系列化、通用化、組合化的火箭，綜合技術(shù)性能已經(jīng)達到了國內(nèi)和國際先進的水平。

后續(xù)火箭將繼續(xù)提高可靠性、安全性和任務(wù)的適應(yīng)能力，主要包括：

(1)提高可靠性和安全性

受限于20世紀80年代的技術(shù)水平，CZ-3A系列火箭大量采用了非鈍感火工品，雖然經(jīng)過了上百次的飛行驗證，但在可靠性安全性上還有提升的空間。后續(xù)將換用新一代火箭研制的鈍感火工品，提高運輸、測試、發(fā)射飛行過程中的抗電磁干擾能力；持續(xù)推進助推器傘降落區(qū)控制技術(shù)的研制，設(shè)置合理可行的安全目標落點，落區(qū)面積減至原來的10%；持續(xù)開展發(fā)射場流程優(yōu)化，在高密度發(fā)射的情況下，繼續(xù)對發(fā)射場工作流程進行優(yōu)化，提高發(fā)射流程自動化程度，降低射前前端人員總工時[10]。

(2)提高任務(wù)的適應(yīng)能力

依托于北斗三號工程，研制了CZ-3B/YZ-1和CZ-3C/YZ-1兩型四級火箭，使得火箭具備了中高軌道直接發(fā)射入軌的能力，進一步拓寬了火箭的任務(wù)適應(yīng)能力，未來將在中高軌科學(xué)探測、深空探測、軌道轉(zhuǎn)移、空間碎片清理和新技術(shù)驗證等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。北斗工程高密度發(fā)射任務(wù)下技術(shù)狀態(tài)、工藝狀態(tài)固化，產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性較好，為滿足衛(wèi)星用戶的需求，對電氣系統(tǒng)進行改進，運載能力進一步挖潛，實現(xiàn)小幅提升。持續(xù)開展火箭去任務(wù)化工作，在助推器、一二級產(chǎn)品統(tǒng)一構(gòu)型的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)全透波整流罩和儀器艙的構(gòu)型統(tǒng)一。開展基于慣組信息的主動減載技術(shù)、主動段全導(dǎo)引控制技術(shù)和迭代制導(dǎo)技術(shù)研究，針對主發(fā)動機、末修和姿控發(fā)動機典型的故障工況，開展故障檢測和發(fā)射軌道重構(gòu)技術(shù)研究，提高飛行故障狀態(tài)下的任務(wù)適應(yīng)能力。推廣應(yīng)用無線傳感系統(tǒng)，實現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取能力的快速配置。