長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭高適應(yīng)性發(fā)展
——從總體與導(dǎo)航制導(dǎo)控制的視角

姜 杰

(中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076)

0 引言

運(yùn)載火箭能力是一個(gè)國(guó)家自主進(jìn)入空間的重要標(biāo)志，是開(kāi)展航天活動(dòng)的基礎(chǔ)。我國(guó)運(yùn)載火箭的發(fā)展始于20世紀(jì)中期，經(jīng)過(guò)50多年的發(fā)展，取得了舉世矚目的成就，具備了發(fā)射高、中、低不同地球軌道衛(wèi)星和載人飛船以及深空探測(cè)器的能力。截至2022年12月29日，長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭共進(jìn)行了458次發(fā)射，成功率超過(guò)96.5%。其中，長(zhǎng)征三號(hào)甲系列(含CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C三型)運(yùn)載火箭，作為我國(guó)現(xiàn)時(shí)期發(fā)射高軌道衛(wèi)星的主力火箭，發(fā)射數(shù)量達(dá)132次，成功率超過(guò)98%。長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭是我國(guó)首個(gè)發(fā)射次數(shù)過(guò)百的單一系列運(yùn)載火箭(2019年4月20日，CZ-3B運(yùn)載火箭成功發(fā)射第44顆北斗導(dǎo)航衛(wèi)星，這是長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭的第100次發(fā)射)，圓滿完成探月、北斗、通信和氣象等國(guó)家重點(diǎn)航天工程及國(guó)外商用發(fā)射任務(wù)，該系列運(yùn)載火箭已成為我國(guó)發(fā)射軌道種類最多、適應(yīng)能力最強(qiáng)、發(fā)射密度最高的火箭，極大促進(jìn)了我國(guó)運(yùn)載火箭產(chǎn)業(yè)化、商業(yè)化和國(guó)際化進(jìn)程，提高了我國(guó)火箭在世界火箭中的地位。

1 CZ-3A系列運(yùn)載火箭發(fā)展背景

1984年4月8日，長(zhǎng)征三號(hào)(CZ-3)運(yùn)載火箭成功發(fā)射地球同步軌道東方紅二號(hào)試驗(yàn)通信衛(wèi)星，使我國(guó)具備了高軌道衛(wèi)星的發(fā)射能力。隨后，研制CZ-3A火箭、發(fā)射中國(guó)第一型實(shí)用通信衛(wèi)星(“東方紅三號(hào)”)的任務(wù)如期而至。CZ-3A系列運(yùn)載火箭的發(fā)展，既是我國(guó)實(shí)用衛(wèi)星通信需求拉動(dòng)的結(jié)果，也與當(dāng)時(shí)中國(guó)航天醞釀打入國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)以及國(guó)際發(fā)射市場(chǎng)出現(xiàn)的機(jī)遇有關(guān)。

2 CZ-3A系列運(yùn)載火箭發(fā)展

2.1 基本能力發(fā)展

CZ-3A系列運(yùn)載火箭能夠在20世紀(jì)90年代世界運(yùn)載火箭中達(dá)到高軌道運(yùn)載能力世界第三(CZ-3B火箭)，而且歷經(jīng)30年還如此有生命力，令我們這個(gè)年齡的、當(dāng)年加入這個(gè)團(tuán)隊(duì)中的晚輩，對(duì)當(dāng)年決策者的遠(yuǎn)見(jiàn)、膽識(shí)和開(kāi)創(chuàng)精神敬仰不已。

1)定位。 CZ-3A系列運(yùn)載火箭是在CZ-3火箭成功后，我國(guó)研制的發(fā)射高軌道大型衛(wèi)星的三級(jí)系列運(yùn)載火箭。盡管CZ-3A火箭當(dāng)時(shí)的首要任務(wù)是發(fā)射2.0 t重的東方紅三號(hào)通信衛(wèi)星，但分析了國(guó)外運(yùn)載火箭現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，將它定位于標(biāo)準(zhǔn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道(GTO)2.5 t的中等運(yùn)載能力檔次。以此為基礎(chǔ)，捆綁液體助推器，再形成兩個(gè)衍生型火箭，成為GTO運(yùn)載能力為2.5 t、3.5 t、 5.0 t的系列運(yùn)載火箭。這個(gè)定位奠定了CZ-3A系列運(yùn)載火箭的生命力所在。

2)走出去。CZ-3A系列運(yùn)載火箭的誕生源于國(guó)內(nèi)與國(guó)外兩個(gè)市場(chǎng)的需求?？梢栽O(shè)想，1986年CZ-3A火箭剛立項(xiàng)，還處在技術(shù)攻關(guān)研制階段，航天人就拿著它的衍生型CZ-3B、CZ-3C火箭的設(shè)計(jì)圖紙，去與美、歐航天大國(guó)和組織談判簽訂了4個(gè)衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)合同，并促使另兩個(gè)型號(hào)不到3年就實(shí)現(xiàn)了立項(xiàng)，全面開(kāi)展了研制工作。這需要很大的勇氣，克服很大的困難！

3)敢于創(chuàng)新。做出了瞄準(zhǔn)世界運(yùn)載火箭技術(shù)前沿的選擇。如大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，創(chuàng)新發(fā)展了世界先進(jìn)的螺旋管束高空大噴管技術(shù)，解決了三級(jí)大推力難點(diǎn)，不僅填補(bǔ)了我國(guó)在這一級(jí)別氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的空白，而且20多年后又改進(jìn)研制作為新一代大型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)需要的發(fā)動(dòng)機(jī)，很有生命力；采用對(duì)液氧貯箱增壓的冷氦加溫增壓系統(tǒng)，當(dāng)時(shí)只有美國(guó)擁有這一技術(shù)，我國(guó)是世界上第二個(gè)自主研制成功的，僅此一項(xiàng)就提高火箭運(yùn)載能力200 kg；動(dòng)調(diào)陀螺四軸慣性平臺(tái)，突破了任意框架角下平臺(tái)啟動(dòng)和穩(wěn)定的難題，國(guó)內(nèi)首次實(shí)現(xiàn)了俯仰、偏航、滾動(dòng)均為大角度范圍的敏感輸出，提高了精度和適用性，又大幅減小了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，取得了20年來(lái)我國(guó)在火箭慣性器件方面的重大突破；低溫氫氣高效能源雙擺伺服機(jī)構(gòu)，攻克了高速旋轉(zhuǎn)下的干摩擦、自潤(rùn)滑、高低溫度區(qū)交變工作的技術(shù)難關(guān)。這4項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)達(dá)到或接近當(dāng)時(shí)世界同類先進(jìn)水平。1994年CZ-3A火箭首飛成功，1997年CZ-3B火箭發(fā)射國(guó)際通信衛(wèi)星成功，2008年CZ-3C火箭發(fā)射天鏈一號(hào)中繼衛(wèi)星成功。后經(jīng)進(jìn)一步改進(jìn)，CZ-3A系列運(yùn)載火箭達(dá)到GTO 2.6 t、3.9 t和5.5 t的運(yùn)載能力，標(biāo)志著我國(guó)火箭進(jìn)入世界高軌道大型衛(wèi)星運(yùn)載火箭的行列。

2.2 適應(yīng)能力發(fā)展

2.2.1 實(shí)現(xiàn)了火箭自主發(fā)射各種軌道航天器的能力

一個(gè)國(guó)家進(jìn)入空間能力的重要標(biāo)志是火箭自主發(fā)射各種軌道，要求火箭具備三維大姿態(tài)飛行控制能力。

難點(diǎn)在于,火箭俯仰、偏航和滾動(dòng)三通道姿態(tài)控制系統(tǒng)是一個(gè)非線性時(shí)變的多變量交連耦合系統(tǒng)；且多級(jí)火箭作為剛體運(yùn)動(dòng)、彈性振動(dòng)和推進(jìn)劑晃動(dòng)的復(fù)合體，在空間復(fù)雜環(huán)境飛行時(shí)各種干擾嚴(yán)重制約了控制性能。

我們的研究解決了火箭多維非線性時(shí)變交連耦合系統(tǒng)的姿態(tài)控制問(wèn)題。揭示了火箭三維大姿態(tài)飛行控制機(jī)理，建立了火箭姿態(tài)交連解耦控制方法，成功設(shè)計(jì)出火箭三維大姿態(tài)飛行控制系統(tǒng)。在工程上實(shí)現(xiàn)了火箭從單一軌道面進(jìn)入三維空間機(jī)動(dòng)飛行控制“質(zhì)”的變化。

CZ-3A系列運(yùn)載火箭三維大姿態(tài)飛行控制技術(shù)的突破，為我國(guó)火箭自主發(fā)射各種軌道航天器做出重要貢獻(xiàn)，成果推廣于多型長(zhǎng)征火箭。

2.2.2 提升了火箭控制系統(tǒng)的可靠性

控制系統(tǒng)可靠性制約著我國(guó)運(yùn)載火箭的產(chǎn)業(yè)化進(jìn)程(早期統(tǒng)計(jì)表明，控制系統(tǒng)故障數(shù)占火箭的40%以上)。1996年，CZ-3B火箭首飛時(shí),慣性平臺(tái)一個(gè)器件失效導(dǎo)致發(fā)射失敗。所以實(shí)現(xiàn)控制系統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)冗余至關(guān)重要。

難點(diǎn)在于，影響火箭飛行成敗的高危害度單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)，不可能依賴提升器件可靠性來(lái)解決，而受火箭結(jié)構(gòu)、質(zhì)量及成本等限制，傳統(tǒng)的設(shè)備冗余方法也難以實(shí)施。我們的研究突破了冗余備份思想和設(shè)備功能界限，自主創(chuàng)新提出以火箭控制信息冗余為核心的控制系統(tǒng)冗余方法。提出了基于火箭異位信息冗余構(gòu)架的速率陀螺冗余方法，提出了基于火箭異構(gòu)信息冗余構(gòu)架的慣性平臺(tái)--激光慣組主從冗余方法，提出了基于三模箭載計(jì)算機(jī)冗余管理的系統(tǒng)級(jí)冗余方法。在此基礎(chǔ)上創(chuàng)建了控制系統(tǒng)最大限度利用火箭測(cè)量信息的信息冗余構(gòu)架，實(shí)現(xiàn)了多源信息融合、實(shí)時(shí)故障診斷和系統(tǒng)在線重構(gòu)于一體的控制系統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)冗余。

運(yùn)用上述技術(shù)消除了CZ-3A系列運(yùn)載火箭控制系統(tǒng)全部高危害度單點(diǎn)失效環(huán)節(jié)，開(kāi)創(chuàng)了國(guó)內(nèi)火箭低成本實(shí)現(xiàn)高可靠性的途徑，大幅提升了火箭飛行可靠性，對(duì)該系列運(yùn)載火箭2000年以來(lái)的高發(fā)射成功率，起到了至關(guān)重要的作用，有力保證了探月、北斗、通信、氣象等重大航天工程及國(guó)際商業(yè)發(fā)射計(jì)劃的實(shí)施。上述技術(shù)成果已在多型長(zhǎng)征火箭中推廣應(yīng)用。

2.2.3 實(shí)現(xiàn)了中高軌大型星座快速組網(wǎng)發(fā)射技術(shù)

北斗導(dǎo)航衛(wèi)星工程是我國(guó)邁出多軌道面、大規(guī)模復(fù)雜構(gòu)型星座部署的第一步，要求快速組網(wǎng)發(fā)射,且必須突破變軌道面、高空風(fēng)補(bǔ)償、一箭雙星和高密度發(fā)射技術(shù)。

我們的研究解決了快速發(fā)射組網(wǎng)方案的關(guān)鍵技術(shù)。提出并實(shí)現(xiàn)了火箭變射向控制方法，提出并實(shí)現(xiàn)了高空風(fēng)補(bǔ)償姿態(tài)控制減載技術(shù)，提出并實(shí)現(xiàn)了高軌道一箭雙星發(fā)射技術(shù)。2010—2012年CZ-3A系列運(yùn)載火箭以高密度發(fā)射實(shí)現(xiàn)北斗二號(hào)地球靜止同步、地球傾斜同步和地球中圓軌道3種軌道14星組網(wǎng),實(shí)現(xiàn)了大型星座組網(wǎng)發(fā)射的技術(shù)跨越。

2.3 高適應(yīng)能力發(fā)展

2.3.1 突破了直接地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射技術(shù)

火箭直接地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射作為月球探測(cè)器奔月的最小能量軌道，是探月工程實(shí)現(xiàn)“落月”“返回”兩大目標(biāo)必須突破的關(guān)鍵技術(shù)，也是未來(lái)載人登月和其他深空探測(cè)工程必須采取的途徑。

難點(diǎn)在于，火箭發(fā)射探測(cè)器直接進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道的時(shí)機(jī)，從發(fā)射衛(wèi)星進(jìn)入地球轉(zhuǎn)移軌道的一個(gè)軌道面變?yōu)橛?個(gè)軌道根數(shù)約束的一個(gè)時(shí)空點(diǎn)，任何超差都將使探測(cè)器錯(cuò)過(guò)與月球交會(huì)。為降低工程風(fēng)險(xiǎn)，嫦娥一號(hào)任務(wù)為實(shí)現(xiàn)我國(guó)首次“繞月”目標(biāo)，采用成熟的火箭地球轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射，由嫦娥一號(hào)探測(cè)器經(jīng)7天調(diào)相軌道變軌飛行再進(jìn)入地月轉(zhuǎn)移軌道；嫦娥二號(hào)任務(wù)的重要目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)直接地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射，為探月工程實(shí)現(xiàn)“落月”“返回”奠定基礎(chǔ)。

我們的研究解決了火箭直接地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射技術(shù)，建立了地月轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)方法，實(shí)現(xiàn)了火箭地月轉(zhuǎn)移軌道設(shè)計(jì)技術(shù)，建立了火箭組合導(dǎo)航方法，實(shí)現(xiàn)了火箭遠(yuǎn)地點(diǎn)約38萬(wàn)千米的地月轉(zhuǎn)移軌道高精度制導(dǎo)控制，實(shí)現(xiàn)了連續(xù)3天火箭“多窗口”地月轉(zhuǎn)移軌道和“零窗口”發(fā)射技術(shù)，保證了探月工程實(shí)施的可靠性要求。

CZ-3C、CZ-3B火箭分別于2010年10月1日、2013年12月2日、2014年10月24日、2018年12月8日采用直接地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射嫦娥二號(hào)、嫦娥三號(hào)、探月三期嫦娥五號(hào)再入返回試驗(yàn)器、嫦娥四號(hào)探測(cè)器，實(shí)現(xiàn)了準(zhǔn)時(shí)發(fā)射、準(zhǔn)確入軌的工程任務(wù)要求，保障了嫦娥三號(hào)、嫦娥四號(hào)成功落月以及嫦娥五號(hào)返回的關(guān)鍵技術(shù)驗(yàn)證。探月工程鑒定委員會(huì)評(píng)價(jià)：“掌握了探月‘落月’‘返回’和載人登月必須突破的軌道設(shè)計(jì)等關(guān)鍵技術(shù)，軌道設(shè)計(jì)、發(fā)射技術(shù)和入軌精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。”

探月工程突破了我國(guó)運(yùn)載火箭直接地月轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭發(fā)射探測(cè)器直接進(jìn)入星際轉(zhuǎn)移軌道的技術(shù)跨越，為我國(guó)未來(lái)深空探測(cè)奠定了技術(shù)基礎(chǔ)。

2.3.2 突破了高軌道衛(wèi)星直接入軌發(fā)射技術(shù)

火箭發(fā)射高軌道衛(wèi)星直接進(jìn)入工作軌道屬于國(guó)家快速進(jìn)入空間能力，可實(shí)現(xiàn)航天器快速部署，以及衛(wèi)星平臺(tái)小型化發(fā)展，降低航天發(fā)射成本。北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)30余顆衛(wèi)星星座組網(wǎng)，必須具備這種能力。

火箭發(fā)射高軌道衛(wèi)星直接入軌，依靠火箭基礎(chǔ)級(jí)+上面級(jí)組合發(fā)射方式實(shí)現(xiàn)。上面級(jí)兼具運(yùn)載器與航天器的技術(shù)特性，相對(duì)火箭飛行時(shí)間數(shù)十分鐘、飛行高度幾百千米，上面級(jí)要在復(fù)雜高層空間環(huán)境飛行數(shù)小時(shí)、幾萬(wàn)千米，必須解決上面級(jí)長(zhǎng)時(shí)間飛行“自主、準(zhǔn)確、可靠”三大難題。

我們的研究提出并實(shí)現(xiàn)了組合導(dǎo)航新體制，創(chuàng)新了自適應(yīng)制導(dǎo)方式，攻克了上面級(jí)數(shù)小時(shí)、數(shù)萬(wàn)千米全程自主高精度導(dǎo)航、制導(dǎo)與控制技術(shù)，突破了適應(yīng)高層空間輻射和微重力環(huán)境等一系列關(guān)鍵技術(shù)，提升了控制系統(tǒng)高可靠水平，研制出國(guó)內(nèi)首個(gè)火箭上面級(jí)遠(yuǎn)征一號(hào)。

2015年，1枚長(zhǎng)征三號(hào)乙/遠(yuǎn)征一號(hào)(一箭雙星)、1枚長(zhǎng)征三號(hào)丙/遠(yuǎn)征一號(hào)及1枚長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭成功發(fā)射4顆北斗全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)試驗(yàn)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了我國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)射高軌衛(wèi)星直接入軌的技術(shù)跨越，拓展了火箭發(fā)展新領(lǐng)域；2017—2019年，長(zhǎng)征三號(hào)乙/遠(yuǎn)征一號(hào)(一箭雙星方式)共12枚火箭發(fā)射北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)24顆組網(wǎng)衛(wèi)星直接入軌，成功完成了北斗全球?qū)Ш较到y(tǒng)中軌道衛(wèi)星的組網(wǎng)發(fā)射。

3 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)征三號(hào)甲系列運(yùn)載火箭，在長(zhǎng)征三號(hào)火箭解決我國(guó)發(fā)射高軌道衛(wèi)星有無(wú)問(wèn)題的基礎(chǔ)上，歷經(jīng)基本能力、適應(yīng)能力、高適應(yīng)能力的發(fā)展，取得了高軌道大型衛(wèi)星運(yùn)載能力，突破了從單一軌道面到三維空間各種軌道發(fā)射，從高軌衛(wèi)星轉(zhuǎn)移軌道到工作軌道發(fā)射，從地球軌道到地月軌道發(fā)射，以及從航天技術(shù)試驗(yàn)到高可靠工程應(yīng)用發(fā)射等關(guān)鍵技術(shù)，使我國(guó)運(yùn)載火箭整體能力取得了地球全軌道發(fā)射、星際軌道發(fā)射等跨越發(fā)展。航天重大工程和國(guó)際商業(yè)發(fā)射表明，該系列運(yùn)載火箭已進(jìn)入世界發(fā)射高軌道航天器的運(yùn)載火箭前列，并奠定了進(jìn)一步開(kāi)拓發(fā)展的基礎(chǔ)。