音頻科普：長征三號甲系列運(yùn)載火箭

2019年4月20日22時(shí)41分，西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射場響起巨大轟鳴聲。載有北斗導(dǎo)航衛(wèi)星的長征三號乙火箭被成功送入太空。這是長征系列運(yùn)載火箭的第302次飛行，也是長征三號甲系列運(yùn)載火箭的第100次飛行。
　　這100次發(fā)射，離不開科研團(tuán)隊(duì)的不懈努力和艱苦奮斗。他們用實(shí)際行動(dòng)在傳承航天精神，也用科研成果講述了作為航天人默默奉獻(xiàn)的故事。
　　吃透技術(shù)、精細(xì)化……這些航天人耳熟能詳?shù)淖盅蹆?，在長征三號甲系列運(yùn)載火箭團(tuán)隊(duì)里絕不僅僅停留在表面上，而是扎扎實(shí)實(shí)深入了下去。
　　我們先來認(rèn)識一下這個(gè)系列的火箭。
　　長征三號甲系列運(yùn)載火箭，從長征三號火箭演變而來，包含長征三號甲、長征三號乙、長征三號丙火箭“三兄弟”，是我國航天領(lǐng)域的主力運(yùn)載火箭。主要用于我國地球同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星的發(fā)射，承擔(dān)了以探月工程、北斗工程為代表的多項(xiàng)國家重大工程任務(wù)，有著“金牌火箭”的美譽(yù)。
　　長征三號甲系列運(yùn)載火箭的研制，起步于20世紀(jì)80年代。雖然當(dāng)時(shí)國家工業(yè)基礎(chǔ)并不深厚，研制經(jīng)費(fèi)投入也有限，但是研制團(tuán)隊(duì)始終瞄準(zhǔn)國際最高水平，按照高起點(diǎn)、高可靠性的標(biāo)準(zhǔn)投入火箭研制。從技術(shù)途徑、設(shè)計(jì)方案、研制試驗(yàn)方法及程序等多個(gè)方面，進(jìn)行了充分的研究論證。
　　據(jù)中國工程院院士、長征三號甲系列運(yùn)載火箭首任總設(shè)計(jì)師龍樂豪回憶，1993年的1月份，在北京西南郊的一個(gè)山頭上，好不容易迎來了長征三號甲第三級火箭動(dòng)力系統(tǒng)試車的時(shí)刻。當(dāng)時(shí)，已是天寒地凍，試驗(yàn)場地顯得格外的寧靜。隨著指揮員的倒計(jì)時(shí)口令，參試人員的心幾乎跳到了嗓子眼兒，剎那間火箭噴出的橙紅色火箭照亮了整個(gè)山野。就在人們期盼成功時(shí)刻的到來時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)了故障。火箭排氫管仍在燃燒，如果不及時(shí)撲滅，裝有60立方米液氫的火箭隨時(shí)有可能爆炸。慶幸的是技術(shù)人員及時(shí)排除了這一重大險(xiǎn)情，為了不拖延火箭研制進(jìn)度，已經(jīng)兩天兩夜沒有合眼的參試人員，又苦熬一整夜，完成了善后處理工作。
　　經(jīng)過48小時(shí)的緊張工作，故障原因確定為液氧渦輪泵卡死。針對故障原因，試驗(yàn)隊(duì)又大膽的提出現(xiàn)場更換液氧泵再次點(diǎn)火的試車方案。最終試驗(yàn)成功，同時(shí)創(chuàng)造了一發(fā)火箭立在試驗(yàn)臺，一共進(jìn)行三次動(dòng)力系統(tǒng)試車的先例，為火箭首次發(fā)射鋪平了道路。在當(dāng)時(shí)的環(huán)境中，面對如此有風(fēng)險(xiǎn)的決定，現(xiàn)場的試驗(yàn)隊(duì)員沒有退縮，大家只有一個(gè)目標(biāo)——為中國研制一款性能優(yōu)良的火箭而共同奮斗。
　　1994年2月8日，長征三號甲運(yùn)載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心首次發(fā)射成功了。它的特別之處在于燃料的換代升級：
　　長征三號甲運(yùn)載火箭是一枚大型三級液體推進(jìn)劑火箭，一、二級為常規(guī)燃料，第三級為改進(jìn)后的液氫/液氧燃料。液體推進(jìn)劑的作用，簡單來說它是為火箭或航天器提供能量的，具有易燃性或助燃性?！伴L征三號甲”同步轉(zhuǎn)移軌道的運(yùn)載能力可以達(dá)到2650千克。這里說的“同步轉(zhuǎn)移軌道”，是一種橢圓形軌道，在發(fā)射地球同步衛(wèi)星時(shí)，首先讓衛(wèi)星進(jìn)入這種軌道，然后在遠(yuǎn)地點(diǎn)點(diǎn)燃衛(wèi)星上的變軌發(fā)動(dòng)機(jī)，使它變?yōu)樗枰哪繕?biāo)軌道。由于擁有更靈活先進(jìn)的控制系統(tǒng)，長征三號甲運(yùn)載火箭可以在星箭分離前對有效載荷進(jìn)行大姿態(tài)調(diào)姿定向，具有很強(qiáng)的適應(yīng)性。
　　長征三號甲運(yùn)載火箭研制成功后，進(jìn)入了工程應(yīng)用階段。為了進(jìn)一步提高火箭可靠性，1998年前后，火箭研制團(tuán)隊(duì)開始進(jìn)行控制系統(tǒng)級冗余重大專項(xiàng)研制?？刂葡到y(tǒng)級冗余技術(shù)是一項(xiàng)國內(nèi)外先進(jìn)的復(fù)雜技術(shù)，能大大提高火箭飛行的可靠性。從長征三號甲系列運(yùn)載火箭領(lǐng)頭應(yīng)用后，今天的長征系列火箭幾乎都開展了冗余控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與應(yīng)用，為中國航天高密度發(fā)射持續(xù)成功，打下了基礎(chǔ)。
　　在研制過程中，火箭控制系統(tǒng)總設(shè)計(jì)師姜杰經(jīng)歷了巨大的困難和考驗(yàn)。針對這項(xiàng)技術(shù)攻關(guān)，研制隊(duì)伍開展了成百上千項(xiàng)試驗(yàn)，解決了數(shù)以百計(jì)的技術(shù)難題。幾年的研制過程中，姜杰始終與設(shè)計(jì)師們戰(zhàn)斗在一起，研討方案、參加試驗(yàn)、分析問題、解決問題、修改報(bào)告……很難想象這樣一個(gè)外表瘦弱的女性蘊(yùn)含著如此巨大的能量，用她自己的話說就是“都沒有時(shí)間去生病了”。
　　與“長征三號甲”相比，長征三號乙的誕生并不是一帆風(fēng)順的。1996年2月15日，是中國航天人最刻骨銘心的日子。這一天，長征三號乙火箭首飛遭遇重大失利，火箭起飛22秒后撞在附近的山頭上，星箭俱毀。當(dāng)時(shí)，由于承受了巨大的壓力，研制隊(duì)伍情緒跌落到了低谷。但大家面對挫折和壓力并不是一蹶不振，而是第一時(shí)間投入到故障檢測中。經(jīng)過細(xì)致的排查，最終查明是因?yàn)橐粋€(gè)“金-鋁”焊接點(diǎn)虛接，導(dǎo)致控制整個(gè)火箭的慣性平臺失效，火箭按照錯(cuò)誤的姿態(tài)信號進(jìn)行姿態(tài)糾正，最終墜毀。
　　研制團(tuán)隊(duì)查明原因后，在短時(shí)間內(nèi)圍繞設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、產(chǎn)品控制、研制管理等工作進(jìn)行了全面復(fù)查。完成了12類、122項(xiàng)試驗(yàn)，提出44項(xiàng)、256條改進(jìn)措施，保障后續(xù)飛行試驗(yàn)都獲得了成功。
　　1997年8月20日，長征三號乙又一次矗立在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心的發(fā)射塔架上，用連續(xù)3次發(fā)射圓滿成功的結(jié)果，扭轉(zhuǎn)了中國航天的被動(dòng)局面，同時(shí)也挽回了長征系列運(yùn)載火箭的聲譽(yù)。研制隊(duì)伍克服重重困難，走出了低谷，在經(jīng)受各種考驗(yàn)后，用實(shí)踐證明了自己。
　　在長征三號甲系列運(yùn)載火箭“三兄弟”中，長征三號丙火箭由三級液體火箭捆綁兩個(gè)助推器組成，這種獨(dú)特的“非全對稱”火箭，在我國長征系列里是首次實(shí)現(xiàn)。2008年4月25日“長征三號丙”首飛獲得成功，這也意味著中國突破了非全對稱火箭設(shè)計(jì)技術(shù)，使得中國高軌任務(wù)運(yùn)載能力分布更加合理，實(shí)現(xiàn)了長征三號甲系列運(yùn)載火箭真正的系列化、組合化。這一系列的運(yùn)載火箭有著入軌精度高、適應(yīng)能力強(qiáng)的突出特點(diǎn)，尤其是發(fā)射衛(wèi)星的入軌精度達(dá)到了世界一流水平。這個(gè)型號的火箭可以實(shí)現(xiàn)一箭單星，也可以一箭多星，以及深空探測器發(fā)射，可以滿足衛(wèi)星用戶多種不同的使用要求。
　　據(jù)長三甲系列火箭首任總設(shè)計(jì)師龍樂豪介紹說，“從推進(jìn)技術(shù)來看，因?yàn)殚L征三號甲系列火箭采用了高效的液氫/液氧推進(jìn)劑，火箭三子級的比推力是世界一流的。比推力，也就是火箭在單位時(shí)間內(nèi)消耗單位推進(jìn)劑，所產(chǎn)生的推力。常規(guī)的四氧化二氮/偏二甲肼推進(jìn)劑，比推力最高不到280秒，液氧/煤油推進(jìn)劑的比推力也就在300至310之間，而液氫/液氧推進(jìn)劑最高能達(dá)到440秒，這個(gè)差距顯而易見。”
　　衡量一個(gè)型號的火箭是否先進(jìn)，還有一個(gè)關(guān)鍵的指標(biāo)：有效載荷系數(shù)。通俗地說就是，火箭運(yùn)送衛(wèi)星的重量除以它的起飛重量，得出的系數(shù)。龍樂豪形象地打了個(gè)比方：“就像2個(gè)舉重運(yùn)動(dòng)員，舉的重量是一樣的，他倆誰的體重更輕，誰就贏了?；鸺彩且粯拥牡览?，同樣的起飛重量，發(fā)射的衛(wèi)星越大，有效載荷系數(shù)越大，火箭就越先進(jìn)。當(dāng)時(shí)，長征三號甲的有效載荷系數(shù)在世界上是第三位。在長征三號甲系列火箭‘三兄弟’中，其實(shí)‘大哥’長征三號甲力氣還是最小的，‘二哥’長征三號乙力氣最大，‘三弟’長征三號丙次之，想打什么樣的衛(wèi)星，都沒問題?！?/strong>
　　憑借世界一流的技術(shù)水平，使長征三號甲系列火箭成為集高新技術(shù)于一體的品牌和主推產(chǎn)品。截至2018年12月，長征三號甲系列火箭先后承擔(dān)了16次國際商業(yè)發(fā)射任務(wù)，為多個(gè)國家和地區(qū)發(fā)射了衛(wèi)星，全部取得了圓滿成功，它所創(chuàng)造的效益占火箭院全部國際商業(yè)發(fā)射任務(wù)收入的50%以上。其中，鑫諾一號衛(wèi)星的發(fā)射服務(wù)項(xiàng)目使長征三號甲系列火箭打開了歐洲市場，首次與法國合作發(fā)射通信衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了與歐洲一流國際公司的接軌。
　　時(shí)代在進(jìn)步，技術(shù)在發(fā)展，未來隨著火箭更新?lián)Q代，相信新時(shí)代的航天人在后續(xù)型號研制中能夠發(fā)揚(yáng)長征三號甲系列火箭的優(yōu)良基因、充分汲取新一代火箭的新成果，從中國的“金牌”創(chuàng)新發(fā)展成世界“金牌”火箭，并在未來航天事業(yè)中發(fā)揮更重要的作用。



關(guān)注【深圳科普】微信公眾號，在對話框：
回復(fù)【最新活動(dòng)】，了解近期科普活動(dòng)
回復(fù)【科普行】，了解最新深圳科普行活動(dòng)
回復(fù)【研學(xué)營】，了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】，了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】，了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】，了解最新團(tuán)體定制活動(dòng)
回復(fù)【科普基地】，了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】，學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識