日新月異的中國運(yùn)載火箭

龐之浩 賀勛（北京空間科技信息研究所 北京空間飛行器總體設(shè)計(jì)部）

截至2019年6月25日，我國“長征”系列運(yùn)載火箭已發(fā)射了307次，為中國航天事業(yè)的發(fā)展做出了重要貢獻(xiàn)。除了“長征”系列火箭外，我國還成功發(fā)射過“風(fēng)暴”、“快舟”、“捷龍”等運(yùn)載火箭，以及民營公司研制的雙曲線一號(hào)運(yùn)載火箭，但無論在運(yùn)載能力、發(fā)射數(shù)量，還是在型號(hào)種類等方面都比“長征”少得多，因此“長征”系列火箭是我國運(yùn)載火箭的絕對(duì)主力。

1 鑄就輝煌

幾十年來，通過我國幾代火箭人的不懈努力，“長征”系列火箭走過了從常溫推進(jìn)到低溫推進(jìn)、從串聯(lián)式到并聯(lián)式、從低軌到高軌、從“一箭一星”到“一箭多星”、從發(fā)射人造地球衛(wèi)星到發(fā)射載人航天器、空間探測(cè)器的技術(shù)歷程，現(xiàn)已具備了發(fā)射低、中、高不同軌道和不同類型載荷的能力，運(yùn)載能力、發(fā)射頻度、成功率、入軌精度和適應(yīng)能力均已達(dá)到世界一流水平，成為我國第一、世界知名、在國際高科技產(chǎn)業(yè)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的品牌。

從1970年首飛至今，“長征”系列火箭先后有17型基礎(chǔ)級(jí)火箭和5型上面級(jí)投入使用，成功將500多個(gè)航天器送入了預(yù)定軌道。

早期的“長征”火箭是從彈道導(dǎo)彈改進(jìn)而來的，大約研制和發(fā)射了13種型號(hào)的“長征”系列火箭。后來，面對(duì)不斷增長的空間資源開發(fā)需求以及日益激烈的商業(yè)發(fā)射市場，我國又在不斷改進(jìn)原有火箭的同時(shí)，開發(fā)出了4種型號(hào)的新一代大型、中型和小型運(yùn)載火箭。

新一代運(yùn)載火箭以可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等為主要設(shè)計(jì)原則，采用無毒環(huán)保、價(jià)格便宜、比沖較高的液氫/液氧或液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)以及大直徑、少級(jí)數(shù)等方案，通過模塊化、組合化和系列化方式，成倍地提高了運(yùn)載能力，降低了成本。

“長征”系列火箭實(shí)現(xiàn)首個(gè)100次發(fā)射用時(shí)37年；第二個(gè)100次發(fā)射用時(shí)7年多；第三個(gè)100次發(fā)射僅用了4年多時(shí)間。另外，“長征”火箭300次發(fā)射的成功率約為96%。其中在第三個(gè)100次發(fā)射中，發(fā)射成功率高達(dá)97%，居世界領(lǐng)先地位。尤其是在2018年，“長征”火箭以全年37次發(fā)射的全勝戰(zhàn)績，首次位居世界航天發(fā)射次數(shù)年度第一。

2 老當(dāng)益壯

目前，我國主要使用長征二號(hào)子系列、長征三號(hào)子系列、長征四號(hào)子系列火箭，它們是較早研制的，分別用于發(fā)射低軌、中高軌和極軌航天器。

在低軌系列火箭方面，1970年4月24日，我國第一枚運(yùn)載火箭長征一號(hào)成功發(fā)射了我國第一顆人造地球衛(wèi)星。長征一號(hào)是三級(jí)火箭，其第一、二級(jí)采用當(dāng)時(shí)我國發(fā)射遠(yuǎn)程戰(zhàn)略導(dǎo)彈所用的液體火箭，第三級(jí)是新研制的固體火箭。該火箭低軌運(yùn)載能力為300kg，為我國多級(jí)火箭技術(shù)的發(fā)展奠定了全面技術(shù)基礎(chǔ)，掌握了多級(jí)火箭穩(wěn)定和姿態(tài)控制技術(shù)等。由于運(yùn)載能力較小，長征一號(hào)現(xiàn)已停用了。

準(zhǔn)備發(fā)射東方紅一號(hào)衛(wèi)星的長征一號(hào)火箭

長征二號(hào)子系列火箭主要用于在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射各種低軌道航天器。我國先后投入使用長征二號(hào)、長征二號(hào)C、長征二號(hào)D、長征二號(hào)E、長征二號(hào)F等。其中，長征二號(hào)火箭是一種以遠(yuǎn)程彈道導(dǎo)彈為原型進(jìn)行研制的兩級(jí)火箭，近地軌道運(yùn)載能力為2.1t。1975年11月26日，它完成了中國第一顆返回式衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)，現(xiàn)已退役。

長征二號(hào)D發(fā)射吉林一號(hào)組星

頂部裝有逃逸塔的長征二號(hào)F發(fā)射“神舟”載人飛船

現(xiàn)役的長征二號(hào)C是長征二號(hào)的改進(jìn)型，采用了大推力液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，箭長增加，低軌運(yùn)載能力增加到4.1t，可靠性也大大提高，是此后不少“長征”子系列火箭發(fā)展的基礎(chǔ)，主要用于發(fā)射近地軌道衛(wèi)星，成功率很高，被授予“全國質(zhì)量金質(zhì)獎(jiǎng)”。

現(xiàn)役的長征二號(hào)D是在長征二號(hào)的基礎(chǔ)上采取增加推進(jìn)劑加注量的方法增大起飛推力，低軌運(yùn)載能力為3.7t。

長征二號(hào)E是我國第一種串并聯(lián)式火箭。其芯級(jí)是長征二號(hào)C的又一改進(jìn)型，并在第一級(jí)捆綁了4個(gè)助推器，使低軌運(yùn)載能力達(dá)到9.2t。長征二號(hào)E/ETS火箭是在長征二號(hào)E的第二級(jí)上安裝一個(gè)固體上面級(jí)——ETS，用于發(fā)射高軌衛(wèi)星，現(xiàn)已退役。

長征二號(hào)F是我國第一種且是目前唯一一種載人運(yùn)載火箭，發(fā)射載人飛船狀態(tài)時(shí)的低軌運(yùn)載能力為8.1t，發(fā)射空間實(shí)驗(yàn)室狀態(tài)時(shí)的低軌運(yùn)載能力為8.6t。1999年11月20日首射成功。它是在長征二號(hào)E基礎(chǔ)上廣泛采用了冗余設(shè)計(jì)，以保證航天員的安全。其外形上有一個(gè)與眾不同之處，就是頂部裝有一個(gè)類似避雷針的逃逸塔，它可使航天員的安全性達(dá)到99.7%。

為保證航天員的安全，長征二號(hào)F取消了自毀功能。為保證火箭飛行穩(wěn)定性、贏得逃逸時(shí)間和提高逃逸成功率，火箭增加了尾翼。它還采用了垂直總裝、垂直測(cè)試、垂直運(yùn)輸方式，大大節(jié)省了發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間。

在中高軌系列火箭方面，我國先后研制了長征三號(hào)、長征三號(hào)A、長征三號(hào)B、長征三號(hào)C，主要用于在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射各種中高軌道航天器。它們都是三級(jí)液體火箭，第三級(jí)都采用了液氧/液氫低溫推進(jìn)劑，且可以多次啟動(dòng)，能直接將有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道，但運(yùn)載能力各不相同。

長征三號(hào)是在長征二號(hào)C的基礎(chǔ)上，加裝了以液氧/液氫為推進(jìn)劑的低溫上面級(jí)，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力1.6t，使我國成為世界上第三個(gè)掌握低溫高能推進(jìn)技術(shù)和第二個(gè)掌握低溫發(fā)動(dòng)機(jī)高空二次點(diǎn)火技術(shù)的國家。該火箭于1984年4月8日首次發(fā)射成功；1990年4月7日又成功發(fā)射了亞洲一號(hào)衛(wèi)星，實(shí)現(xiàn)了我國火箭國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)零的突破。

1994年2月8日，長征三號(hào)A火箭首射成功。它是在長征三號(hào)的基礎(chǔ)上采用了改進(jìn)過的第三級(jí)低溫發(fā)動(dòng)機(jī)。它曾多次發(fā)射采用東方紅三號(hào)衛(wèi)星平臺(tái)的人造地球衛(wèi)星，包括嫦娥一號(hào)月球探測(cè)器等。

長征三號(hào)B是在長征三號(hào)A的第一級(jí)捆綁了4個(gè)助推器，而且第二級(jí)加長，增加了20t推進(jìn)劑，使地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力提高到5.5t，1997年首射成功，是目前我國發(fā)射高軌道航天器的主力火箭。

長征三號(hào)C是在長征三號(hào)A的第一級(jí)捆綁了2個(gè)助推器，從而成為我國第一種非全對(duì)稱火箭。其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為3.8t，介于長征三號(hào)A（2.6t）和長征三號(hào)B（5.5t）之間，于2008年開始使用。

在極軌系列火箭方面，我國研制、發(fā)射了長征四號(hào)子系列火箭。它們都是三級(jí)常溫運(yùn)載火箭，主要用于在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射各種極軌道衛(wèi)星。其中的長征四號(hào)A的極軌衛(wèi)星運(yùn)載能力為1.5t；在其基礎(chǔ)上發(fā)展的長征四號(hào)B的極軌衛(wèi)星運(yùn)載能力為1.9t；長征四號(hào)C是從長征四號(hào)B改進(jìn)而來的，極軌衛(wèi)星運(yùn)載能力為2.8t，且第三級(jí)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有二次啟動(dòng)能力。長征四號(hào)子系列已發(fā)射多顆陸地衛(wèi)星、氣象衛(wèi)星和海洋衛(wèi)星等極軌道遙感衛(wèi)星。

準(zhǔn)備發(fā)射嫦娥一號(hào)月球探測(cè)器的長征三號(hào)A火箭

發(fā)射北斗三號(hào)的長征三號(hào)C/遠(yuǎn)征一號(hào)火箭

長征四號(hào)B升空

3 新箭風(fēng)采

為了適應(yīng)運(yùn)載火箭的發(fā)展方向，近年來我國按照“無毒、無污染、低成本、高可靠、大推力、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好”的目標(biāo)，從2015年開始陸續(xù)研制、發(fā)射了長征五號(hào)、長征七號(hào)、長征六號(hào)、長征十一號(hào)、捷龍一號(hào)等新一代大型、中型、小型和微小型運(yùn)載火箭。

2015年9月20日，首次發(fā)射的長征六號(hào)新一代小型液體運(yùn)載火箭把20顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。它是全新的三級(jí)液體火箭，全箭總長約29m，起飛推力1188kN，起飛質(zhì)量約103t，可將1t的有效載荷發(fā)射到太陽同步軌道。該火箭用于執(zhí)行太陽同步軌道和近地軌道等多種軌道發(fā)射任務(wù)。采用“三平”測(cè)發(fā)模式，即水平整體測(cè)試、水平整體星箭對(duì)接、水平整體運(yùn)輸起豎發(fā)射。發(fā)射準(zhǔn)備周期僅需7天，能很好地適應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射低成本、短周期的需求，現(xiàn)已投入商業(yè)發(fā)射。

長征六號(hào)新一代小型液體火箭發(fā)射時(shí)使用機(jī)動(dòng)發(fā)射架

2015年9月25日，長征十一號(hào)火箭首次發(fā)射，將4顆小衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。它是全新的四級(jí)小型固體運(yùn)載火箭，總長約21m，總質(zhì)量約58t，箭體最大直徑2m，可把500kg的有效載荷發(fā)射到500km高的太陽同步軌道，200km低軌運(yùn)載能力可達(dá)700kg。作為“長征”家族中第一型和唯一型固體火箭，長征十一號(hào)具有快速、可靠、便捷、低廉的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了我國運(yùn)載火箭24h快速發(fā)射的跨越，主要用于1000km以下太陽同步軌道和近地軌道中小型航天器的單星和多星組合發(fā)射，滿足自然災(zāi)害、突發(fā)事件等應(yīng)急情況下微小衛(wèi)星發(fā)射需求，現(xiàn)已投入商業(yè)發(fā)射。

2019年6月5日，我國在海上平臺(tái)用長征十一號(hào)火箭，將技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星捕風(fēng)一號(hào)A、B星及5顆商業(yè)衛(wèi)星順利送入預(yù)定軌道，這是我國首次在海上實(shí)施運(yùn)載火箭發(fā)射技術(shù)試驗(yàn)。在海上發(fā)射運(yùn)載火箭，既能降低發(fā)射成本、提高運(yùn)載能力，還可有效解決火箭航區(qū)和殘骸落區(qū)安全性問題，避免大規(guī)模人員疏散。

在海上發(fā)射長征十一號(hào)火箭

2016年6月25日，長征七號(hào)新一代中型運(yùn)載火箭首次發(fā)射成功。它采用二級(jí)半構(gòu)型，主要用于發(fā)射近地軌道或太陽同步軌道有效載荷，可以把13.5t的有效載荷送入近地點(diǎn)200km、遠(yuǎn)地點(diǎn)400km、傾角42°的近地軌道，或?qū)?.5t的有效載荷送入700km的太陽同步軌道。它是利用長征二號(hào)F火箭成熟技術(shù)，在大體不變情況下?lián)Q成新研制的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。

長征七號(hào)火箭升空

長征七號(hào)是我國首枚采用全數(shù)字化手段研制的火箭，在全研制流程沒有一張紙質(zhì)圖紙，大大降低了成本，減小了產(chǎn)品報(bào)廢率，縮短了研制流程。它還有防水、防風(fēng)、防鹽霧等功能，可以在8級(jí)大風(fēng)的情況下進(jìn)行垂直轉(zhuǎn)運(yùn)，抗風(fēng)能力為目前“長征”家族之最；中雨時(shí)也能發(fā)射。由于長征七號(hào)直徑為3.35m，所以在我國4個(gè)發(fā)射場均能發(fā)射。目前，它主要用于發(fā)射“天舟”貨運(yùn)飛船，預(yù)計(jì)到2021年火箭各項(xiàng)技術(shù)趨于成熟穩(wěn)定時(shí)，它將逐步替代現(xiàn)有的長征二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)子系列，承擔(dān)我國80%左右的發(fā)射任務(wù)，包括發(fā)射載人飛船等。

2016年11月3日，長征五號(hào)新一代大型運(yùn)載火箭首次發(fā)射成功。它采用二級(jí)半構(gòu)型，全長56.97m，芯一級(jí)、第二級(jí)直徑5.0m，單個(gè)助推器直徑3.35m，起飛質(zhì)量869t，起飛推力1078t。其芯一級(jí)裝有2臺(tái)可雙向搖擺、推力均為50t的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)；還并聯(lián)了4個(gè)各裝有2臺(tái)推力均為120t的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的助推器，其中l(wèi) 臺(tái)為擺動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。其芯二級(jí)直徑為5m，裝有2臺(tái)推力均為9t的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，它們是由長征三號(hào)A第三級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)改進(jìn)而來，發(fā)動(dòng)機(jī)可雙向擺動(dòng)，具備二次啟動(dòng)能力。其整流罩長12m，直徑5.2m。該火箭主要用于發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道衛(wèi)星，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為14t，可用于發(fā)射大型空間探測(cè)器、大型人造地球衛(wèi)星等，綜合性能指標(biāo)達(dá)到國際主流運(yùn)載火箭水平。

整裝待發(fā)的長征五號(hào)火箭

2019年7月25日，北京星際榮耀空間科技有限公司的雙曲線一號(hào)遙一運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，將多顆衛(wèi)星及有效載荷精確送入預(yù)定軌道，實(shí)現(xiàn)了中國民營運(yùn)載火箭零的突破。

2019年8月17日，捷龍一號(hào)遙一火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功。這是捷龍一號(hào)運(yùn)載火箭首次執(zhí)行飛行任務(wù)，開啟了我國商業(yè)航天新的篇章。捷龍一號(hào)火箭是面向商業(yè)航天市場打造的一款微小型固體運(yùn)載火箭，也是是我國固體火箭中體積最小、重量最輕的火箭?；鸺秊樗募?jí)固體發(fā)動(dòng)機(jī)串聯(lián)的總體構(gòu)型，全箭總長約19.5m，箭體直徑1.2m，起飛質(zhì)量約23.1t，500km太陽同步軌道運(yùn)載能力可達(dá)200kg，是我國運(yùn)載效率最高的固體商業(yè)火箭。純商業(yè)模式是指捷龍一號(hào)火箭是利用社會(huì)資本開展研制生產(chǎn)、促進(jìn)模式創(chuàng)新的。主要體現(xiàn)在兩方面：一是研制經(jīng)費(fèi)不是來源于國家經(jīng)費(fèi)，而是面向社會(huì)資本融資；二是以往火箭研制過程中基本都是與體制內(nèi)的成熟配套單位合作，該型火箭打破了原有的配套關(guān)系，通過競爭，選擇性價(jià)比最優(yōu)的配套單位，提高性能、降低成本。目前，捷龍一號(hào)火箭的目標(biāo)成本基本可以達(dá)到3萬美元/千克，是世界上單位載荷入軌成本最低的火箭。

捷龍一號(hào)火箭升空

4 上面級(jí)

上面級(jí)是一種能夠進(jìn)一步將航天器從準(zhǔn)地球軌道或地球軌道送入預(yù)定工作軌道或預(yù)定空間位置的小火箭。它可多次啟動(dòng)，工作時(shí)間長，能先后把不同“乘客”送到不同目的地，大大增強(qiáng)了我國運(yùn)載火箭的任務(wù)適應(yīng)性。

2015年3月30日，我國首個(gè)自主研發(fā)的四級(jí)火箭—長征三號(hào)C/遠(yuǎn)征一號(hào)首飛，發(fā)射了“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星。它是在原三級(jí)半的長征三號(hào)C火箭上面增加了一級(jí)，從而變成四級(jí)火箭。以往的三級(jí)火箭只能將衛(wèi)星送至轉(zhuǎn)移軌道，而改進(jìn)后的四級(jí)火箭則可以直接將衛(wèi)星發(fā)送至距離更為遙遠(yuǎn)的目標(biāo)軌道，衛(wèi)星不需要再變軌了，從而能大大節(jié)省燃料甚至取消遠(yuǎn)地點(diǎn)發(fā)動(dòng)機(jī)。一般的三級(jí)火箭只能飛行0.5h左右，而裝有上面級(jí)的四級(jí)火箭可飛行5～6h，能飛到幾萬千米的外太空。

2015年6月25日，我國長征七號(hào)首飛，搭載了遠(yuǎn)征一號(hào)A上面級(jí)。其在軌飛行時(shí)間從遠(yuǎn)征一號(hào)的6.5h延長至48h，主發(fā)動(dòng)機(jī)由2次啟動(dòng)增加至20次啟動(dòng)，分離次數(shù)由1次增加至7次。所以，它可把更多的“乘客”送到不同的地點(diǎn)，變軌能力大大增強(qiáng)，拓展了擺渡車的服務(wù)功能，通過多次點(diǎn)火工作，適應(yīng)更多復(fù)雜的路線。

2015年7月25日，長征三號(hào)B/遠(yuǎn)征一號(hào)火箭實(shí)現(xiàn)“一箭雙星”，把2顆“北斗”導(dǎo)航衛(wèi)星直接送入軌道。

2018年10月9日，長征二號(hào)丙火箭與遠(yuǎn)征一號(hào)S上面級(jí)攜手，成功將遙感三十二號(hào)01組2顆衛(wèi)星精準(zhǔn)送入預(yù)定軌道。該上面級(jí)是專門為滿足中低軌、短時(shí)間的發(fā)射需求研制的一型新產(chǎn)品，主要與直徑為3.35m的火箭組合完成短時(shí)間飛行的發(fā)射任務(wù)。它執(zhí)行任務(wù)時(shí)間短，與基礎(chǔ)級(jí)分離完成后馬上點(diǎn)火加速，整個(gè)飛行任務(wù)基本上在1h以內(nèi)。

此前，“遠(yuǎn)征”上面級(jí)家族已有3名成員。遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)是基本型，主要針對(duì)中高軌的直接入軌任務(wù)，只有二次啟動(dòng)能力，被稱為“太空擺渡車”。遠(yuǎn)征一號(hào)甲上面級(jí)實(shí)現(xiàn)了多次啟動(dòng)、長時(shí)間在軌，目前啟動(dòng)次數(shù)能達(dá)到20次，完成不同軌道的多星部署，被稱為“升級(jí)版太空擺渡車”。遠(yuǎn)征二號(hào)上面級(jí)是遠(yuǎn)征一號(hào)系列化的產(chǎn)品，有2臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，運(yùn)載能力更大，執(zhí)行高軌多星的直接入軌任務(wù)，被稱為“增強(qiáng)型太空擺渡車”。

上述4種型號(hào)的“遠(yuǎn)征”上面級(jí)基本能滿足不同發(fā)射任務(wù)的需求。我國還研制了更先進(jìn)的遠(yuǎn)征三號(hào)上面級(jí)，未來型號(hào)隊(duì)伍將進(jìn)一步提高上面級(jí)任務(wù)的適應(yīng)性。

遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)模型

5 前景廣闊

為了滿足未來航天的更多需求，我國還在研制長征五號(hào)B、長征六號(hào)A、長征七號(hào)A、長征八號(hào)、長征九號(hào)、新一代載人運(yùn)載火箭等更多的新型火箭。2025年前后，我國可重復(fù)使用的亞軌道運(yùn)載器將研制成功，將使亞軌道太空旅游成為現(xiàn)實(shí)。同時(shí)，空射運(yùn)載火箭將快速發(fā)射能力提升到小時(shí)級(jí)。2028年，以火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的兩級(jí)完全重復(fù)使用運(yùn)載器將研制成功。2035年左右，運(yùn)載火箭將實(shí)現(xiàn)完全重復(fù)使用，以智能化和先進(jìn)動(dòng)力為特點(diǎn)的未來一代運(yùn)載火箭將實(shí)現(xiàn)首飛。2040年前后，未來一代運(yùn)載火箭將投入應(yīng)用，組合動(dòng)力兩級(jí)重復(fù)使用運(yùn)載器將研制成功，核動(dòng)力空間穿梭機(jī)將出現(xiàn)重大突破。