中国航天60周年（一）：登天有路箭为梯

中国航天60周年（一）：登天有路箭为梯

编者按：

从1970年至今，我国已先后发射了长征-1～4、6、7、11火箭。截至2016年9月底，我国发射了200多个航天器，目前在轨运行150余个，形成了载人航天、深空探测、导航定位、对地观测、通信广播、空间科学与技术试验等六大领域航天器研制业务，取得了显著的政治、科学、技术、经济、国防等效益。2016年10月8日是中国航天事业创建60周年纪念日，籍此之际，本刊特推出纪念中国航天事业创建60周年专题，在今年第9期和第10期分别介绍我国运载火箭、人造卫星、载人航天、深空探测四大航天科技领域的发展，以飨读者。

“长征”系列火箭

1　引言

工欲善其事，必先利其器。开发太空需用航天器，但航天器离开地面需用运载器克服地球引力。目前，最常用的运载器就是运载火箭，这一“通天塔”的“绝招”是自带推进剂，而不需大气层中的氧气来助燃，因此可在太空自由飞翔。航天飞机也是一种运载器，但因太贵和风险大，现已退役。

运载火箭的能力决定了一个国家航天活动的规模。因此，世界各航天大国均把发展先进的运载技术作为保持其领先地位的战略部署之一，我国也不例外。

几十年来，通过几代航天人的不懈努力，我国“长征”系列火箭走过了从常温推进到低温推进、从串联到捆绑、从“一箭一星”到“一箭多星”、从发射卫星到发射载人飞船、空间探测器的技术历程，具备了发射低、中、高不同轨道，以及不同类型和不同质量航天器的能力，基本能够满足不同用户的需求。

我国“长征”火箭现有3个成熟子系列共1 0多种型号，主要包括用于发射低轨道航天器的长征-2子系列；用于发射极轨道航天器的长征-4子系列；用于发射高轨道航天器的长征-3子系列。对应这3种典型轨道，“长征”的运载能力分别为0.2～9.5t、0.4～3.1t和1.5～5.5t。另外，我国近年又开发出新一代小型、中型、大型运载火箭。

2015年9月至今，我国又首射了长征-6、11、7新一代小、中型运载火箭，最多一次发射20颗小卫星。

截止到2016年9月15日，“长征”火箭共进行了236次发射，其中包括5次发射载人飞船和4次发射月球探测器。此外，我国还研制和发射过“风暴”、“快舟”等运载火箭。

长征-1火箭整装待发

2　低轨系列

1970年4月24日，我国成功用自行研制的长征-1运载火箭发射了第1颗人造地球卫星东方红-1，使我国成为世界上第5个用自制火箭发射自制人造卫星的国家，卫星的质量比前面4个国家发射的第1颗人造地球卫星质量的总和还多。这一数字表明，当时我国的运载火箭已达到了一定的水平，奠定了“长征”系列火箭发展的基础。

长征-1

长征-1是3级火箭。其第1级、第2级采用了发射我国远程战略导弹相同的液体火箭；第3级则是新研制的固体火箭。该火箭能把300kg的卫星送入近地轨道，为我国多级火箭技术的发展奠定了全面技术基础，掌握了多级火箭稳定和姿态控制技术等。由于运载能力较小，长征-1现已不用了。

长征-2

长征-2子系列主要用于发射质量较大的近地轨道航天器，我国先后投入使用了长征-2、2C、2D、2E、2F等。

长征-2火箭是一种以远程弹道导弹为原型进行研制的2级火箭，能把2.1t的卫星送入距地面数百千米的椭圆形轨道，1975年11月26日，它完成了中国第1颗返回式卫星的发射任务。

长征-2C

长征-2C是长征-2改进型，采用了大推力液体火箭发动机，增加了箭长，近地轨道运载能力增加到3.8t，火箭的可靠性也大大提高，是此后“长征”系列火箭发展的基础，主要用于发射近地轨道卫星，成功率很高，被授予“全国质量金质奖”。

长征-2D

长征-2D是在长征-2的基础上采取增加推进剂加注量的方法增大起飞推力，运载能力为3.3t。

长征-2E

1990年7月16日首发成功的长征-2E是我国第一种并联式（又叫捆绑式）火箭。其芯级是长征-2C的又一改进型，并在第一级捆绑了4个助推器，使近地轨道运载能力达到9.5t。长征-2E/ETS火箭是在长征-2E的第2级上安装一个固体上面级—ETS，曾用于发射澳大利亚、香港和美国的大型通信卫星。该火箭现已退役。

长征-2F

长征-2F是我国第一枚载人运载火箭，运载能力8 t。它是在长征-2E基础上广泛采用了冗余设计，提高了元器件等级和筛选标准，结构设计提高了剩余强度系数，发动机也进行了旨在提高可靠性的设计，并增加了故障检测处理和逃逸系统，以保证航天员的安全，使火箭可靠性从长征-2E的91%提高到97%，航天员的安全性达到了99.7%。从而在功能、性能、可靠性和安全性方面全部达到了载人运载火箭的要求。

装有逃逸塔的长征-2F载人火箭

为保证航天员的安全，长征-2F取消了自毁功能。为保证火箭飞行稳定性、赢得逃逸时间和提高逃逸成功率，火箭增加了尾翼。它还采用了“垂直总装、垂直测试、垂直运输”（简称“三垂”）方式，大大节省了发射准备时间。

3　极轨系列

长征-4子系列火箭是3级常温运载火箭，用于发射极轨卫星，其中长征-4A的极轨卫星运载能力1.6t；在其基础上发展的长征-4B的极轨卫星运载能力2.8 t；长征-4C是从长征-4B改进而来的，其三级发动机具有二次启动能力，极轨卫星运载能力3.1t。

组装长征-4B火箭

它们的各级都采用四氧化二氮和偏二甲肼作推进剂，主要用于发射资源卫星、气象卫星、海洋卫星、高分卫星等极轨遥感卫星。

4　高轨系列

长征-3子系列火箭是为发射我国的地球静止轨道通信卫星而研制的，包括长征-3、3A、3B、3C。其特点是：①都是3级液体火箭，且第3级都采用液氧/液氢作推进剂，第3级的贮箱都是低温共底贮箱。②第3级发动机可以多次启动。③可以直接将有效载荷送入地球同步转移轨道。

长征-3

长征-3火箭因1990年4月7日发射亚洲-1而闻名于世，实现了我国火箭国际商业发射服务零的突破。该火箭是在长征-2C运载火箭的基础上，加装了以液氢/液氧为推进剂且具有高空二次启动能力的低温上面级，地球同步转移轨道运载能力1.5t。它使得我国成为世界上第3个掌握低温高能推进技术和第2个掌握低温发动机高空2次点火技术的国家。

长征-3A

1994年2月8日，长征-3A火箭首次发射成功。它是在长征-3的基础上，采用了经改进的第3级低温发动机，并攻克了数字化小型控制系统等四大关键技术，可将2.6 t有效载荷送入地球同步转移轨道，采用东方红-3卫星平台的卫星都由它发射的，包括嫦娥-1月球探测器等。

长征-3B

长征-3B是目前我国发射高轨道航天器的“大力士”。它是在长征-3A的第1级箭体上捆绑了4个助推器，而且加长了第2级，增加了20t推进剂。该火箭可将5.5t有效载荷送入地球同步转移轨道，是目前我国发射国内外地球静止卫星的主力火箭，曾先后把菲律宾的“马部海”卫星、亚太星-2R、中卫-1、尼日利亚通信卫星-1、委内瑞拉卫星-1、中星-11、嫦娥-3落月探测器、亚太-9和天通-1等送上太空。

长征-3B火箭升空

长征-3C

2008年开始使用的长征-3C是在长征-3A火箭上捆绑有2个助推器，是我国第1种非全对称火箭。其地球同步转移轨道运载能力介于长征-3A和长征-3B之间，为3.8t。它填补了我国高轨道运载能力的一个空白，从而真正形成火箭运载能力系列化。

我国“长征”火箭发射的第一个100次历时37年，成功率93%；第二个100次仅历时7年，成功率98%，可靠性与欧洲“阿里安”火箭并列世界第一。

在珠海航展上展出的我国多星发射上面级

5　上面级

2015年，我国首个“太空摆渡车”—远征-1上面级成功实现了首飞。

上面级是一种能够进一步将航天器从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道或预定空间位置的小火箭。它可多次启动，工作时间长，能先后把不同“乘客”送到不同目的地，大大增强了我国运载火箭的任务适应性。

2015年3月30日，我国首个自主研发的4级火箭—长征-3C/远征-1首飞，成功发射了1颗“北斗”导航卫星。它是在原本3级的长征-3C火箭上面增加了远征-1上面级，从而变成4级火箭。以往的3级火箭只能将卫星送至转移轨道，即卫星轨道是椭圆形的，卫星上天后需要靠自身发动机和燃料变轨为圆形轨道。而改进后的4级火箭则可以直接将卫星发送至距离更为遥远的目标轨道，卫星不需要再变轨了，从而能大大节省燃料甚至取消远地点发动机。一般的3级火箭只能飞行0.5h左右，而装有远征-1上面级的4级火箭可飞行5～6h，能飞到几万千米的外太空。

2015年7月25日，长征-3B/远征-1火箭实现了“一箭双星”发射，把2颗“北斗”导航卫星直接送入目标轨道。

2016年6月25日，我国长征-7首飞，搭载了远征-1A上面级。其在轨飞行时间从远征-1的6.5h延长至48h，主发动机由2次启动增加至20次启动，分离次数由1次增加至7次。所以，它可把更多的“乘客”送到不同的地点，变轨能力大大增强，拓展了摆渡车的服务功能，通过多次点火工作，可适应更多复杂的路线。

我国还在研制更先进的远征-2上面级，将用于长征-5新一代大型运载火箭。

6　新一代

从2015年起，我国开始陆续发射新一代小型、中型和大型“长征”系列火箭。

长征-6

2015年9月20日，首次升空的我国新一代小型液体火箭长征-6把20颗卫星送入预定轨道。它是我国研制的全新3级液体火箭，可将1t的有效载荷发射到700km高度太阳同步轨道，具有推力大、无毒无污染、发射准备时间短等特点，其成功为我国后续新型捆绑式运载火箭发展奠定了基础。

长征-6第1级直径为3.35m，采用了1台首次使用的最大推力为120t的液氧/煤油发动机；第2、3级直径均为2.25m， 分别采用1台液氧/煤油发动机和1台常温推进剂发动机。

采用“三平”技术的长征-6新一代小型液体火箭

它采用“三平”测发模式，即水平整体测试、水平整体星箭对接、水平整体运输起竖发射，发射准备周期仅需7天，有力的适应卫星发射低成本、短周期的需求。20颗小卫星被分成了3层像金字塔般地分别排列，被长征-6带上太空后分4次释放，每次释放只间隔几十秒的时间。

长征-11新一代小型固体火箭发射示意图

长征-11

2015年9月25日，我国长征-11火箭将4颗小卫星送入预定轨道。它是我国全新研制的4级固体小型运载火箭，可把350kg的有效载荷发射到700km高度太阳同步轨道，低轨道运载能力可达700kg。作为“长征”家族中第一型和唯一型固体火箭，长征-11具有“快速、可靠、便捷、低廉”的优势，实现了我国运载火箭24h快速发射的跨越，主要用于满足自然灾害、突发事件等应急情况下微小卫星发射需求。

长征-7

为了适应运载火箭的发展方向，近年来我国按照“无毒、无污染、低成本、高可靠、大推力、适应性强、安全性好”的目标，研制了新一代中、大型运载火箭长征-7、5，其中，长征-7于2016年6月25日首次发射成功。

长征-7是我国新一代中型运载火箭，采用两级半构型。它利用了长征-2F的成熟技术，在大体不变情况下换成新研制的液氧/煤油发动机。其主要的4个优点有：一是提高了火箭的运载能力，120吨级液氧/煤油发动机比冲比常规发动机提高了20%，推力比现有“长征”发动机提高了60%以上，把我国火箭的近地轨道运载能力由8.5t一下提高到13.5t。二是推进剂绿色环保，燃烧后只产生二氧化碳和水。三是推进剂便宜，平均成本仅为常规推进剂的1/10强。四是今后可重复使用。

在转运至发射区途中的新一代中型运载火箭长征-7

其基本型总长53.1m，起飞质量约597t，起飞推力720t，近地轨道运载能力13.5t。其芯一级直径为3.35m，装有2台单台推力为120t的双摆液氧/煤油发动机；芯一级并联了4个直径均为2.25m的助推器，每个助推器装有1台单台推力为120 t的单摆液氧/煤油发动机；芯二级直径为3.35m，装有4台单台推力为18t的双摆液氧/煤油发动机。整流罩直径4.2m。

长征-7是我国首枚采用全数字化手段研制的火箭，在全研制流程中没有一张纸质图纸，大大降低了成本，减小了产品报废率，缩短了研制流程。在试验、装配阶段，应用了“虚拟现实技术”，对火箭进行了虚拟装配和试验，真实模拟了火箭实际装配和试验环境，提前预见了可能发生的问题，确保了火箭试验、装配“一次成”。它还有防水、防风、防盐雾等功能，可以在8级大风的情况下进行垂直转运，抗风能力为目前“长征”家族之最；中雨时也能发射。

以长征-7基本型火箭为基础，通过调整助推器个数、增加固体助推器、增加上面级和增加氢氧三子级等，可实现新一代中型运载火箭的系列化， 能研制太阳同步轨道运载能力为5.5t和地球同步转移轨道运载能力为7t的中型运载火箭，承担国内外主流卫星的发射任务。由于其直径为3.35m，所以在我国4个发射场都能发射。它将主要用于发射货运飞船，预计到2021年火箭各项技术趋于成熟稳定时，将逐步替代现有的长征-2～4系列，承担我国80%左右的发射任务，包括发射载人飞船等。

长征-5

火箭的运载能力有多大，航天的舞台就有多大。定于2016年11月首次发射的长征-5子系列火箭可与国外主流运载火箭的水平持平，能大大提升我国进入空间的能力，提供多样化的发射服务活动。

长征-5是我国新一代大型运载火箭。该子系列火箭由二级半构型的基本型、不加第二级的一级半构型长征-5B运载火箭以及添加上面级的长征-5/远征-2运载火箭等型号组成。其近地轨道运力覆盖1.5～25t，地球同步转移轨道运力覆盖1.5～14t，运载能力大幅度提高；使用无毒无污染推进剂；采用“通用化、组合化、系列化”设计，以降低成本；通过采用比传统火箭普遍少一级的一级半或二级半构型，以提高火箭固有的可靠性；拥有完整的运载能力覆盖范围。中国未来的探月三期工程、“天宫”空间站、大型人造卫星及其他深空探测的实施等都将使用该系列火箭。

长征-5基本型是带助推器的两级半火箭，全长约56.97m，起飞质量约869t，起飞推力约1078t，用于执行嫦娥-5发射任务。其芯一级直径为5m，装有2台可双向摇摆、推力均为50t的氢/氧发动机；芯一级并联了4个直径均为3.35m的助推器，每个助推器装有2台推力均为120t的液氧/煤油发动机，其中l台为摆动发动机。芯二级直径为5m，装有2台推力均为9吨级的氢/氧发动机，它们是由长征-3A第三级氢/氧发动机改进而来，发动机可双向摆动，能两次起动。其整流罩长12m，直径5.2m。该火箭的地球同步转移轨道运载能力为14t，其综合性能指标将达到国际上主流运载火箭水平。

在长征-5基础上，我国还在研制未来用于发射我国20吨级空间站舱段的长征-5B火箭。它为带助推器的一级半火箭，全长53.7m，起飞质量837.5t，起飞推力约1078 t，近地轨道运载能力大于22 t。它是在长征-5基本型的基础上取消了芯二级，首次采用了前捆绑点传力、助推器支撑状态；采用了芯级和助推器发动机联合摇摆进行全箭姿态控制；采用蓄压器进行全箭纵向耦合振动抑制设计；整流罩长20.5m，直径5.2m。

长征-5新一代大型运载火箭定于2016年11月择机发射

长征-5/远征-2为带助推器的三级火箭。它是在长征-5基本型的基础上增加了远征-2上面级作为第三级。它用于执行地球静止轨道卫星、“北斗”中圆轨道卫星等发射任务。

长征-5系列运载火箭将大大提升我国进入空间的能力，并为我国航天提供了多样化的发射服务活动。例如，长征-5火箭将执行探月三期月球转移轨道和深空探测等发射任务；长征-5B火箭用于把20吨级空间站舱段发射到近地轨道；采用长征-5/远征-2可发射大型地球静止轨道卫星、“北斗”中圆轨道导航卫星等。从理论上讲，还可以采用长征-5火箭研制技术，捆绑6个3.35m直径助推器，形成更大的运载能力。

长征-5、7都在新建的海南文昌航天发射场发射。该发射场地缘优势明显：①有射向范围宽的优势；②火箭航区、残骸落区安全性好；③具备低纬度的优势；④可以通过海运将火箭运过来。其年发射能力可达10～12发。

7　展望未来

长征-8

据悉，长征-8已开始论证，它是一种新型极轨火箭，由长征-7第一级和长征-3A第三级组成，可并联2或4个助推器，用来替代长征-4子系列火箭，从而将原来的三级半构型改为两级半构型。

长征-9

中国航天科技集团公司2016年6月27日透露，我国长征-9重型运载火箭已完成深化论证。在目前的设计蓝图中，重型运载火箭箭体直径近10m，全箭总长近百米，运载能力是现有火箭运载能力的5倍多，完全可以满足未来载人月球探测、火星取样返回、太阳系行星探测等多种深空探测任务需求，保障中国在未来宇宙探索和更大更远空间的话语权。现计划通过4、5年的时间，突破一系列关键技术，为重型运载火箭工程研制打下基础。如果相关工作进展顺利，15年内有望实现首飞，这将大幅提升中国自主进入空间的能力。重型运载火箭是指火箭起飞推力在3000t上下，近地轨道运载能力在100t左右的火箭，主要用于载人登月任务、载人火星飞船、太空电站等超大型航天器等。

2016年8月1日，由中国航天科技集团公司六院为重型运载火箭研制的500吨级液氧/煤油发动机首次燃气发生器-涡轮泵联动试验取得成功，这标志着该型发动机研制工作取得首个里程碑式胜利，为后续圆满完成关键阶段研制任务奠定了基础。

2016年8月2日，由中国航天科技集团公司四院自主研制的我国直径最大、装药量最大、推力最大的固体火箭发动机—民用航天3m 2分段大型固体火箭助推发动机地面热试车圆满成功。未来，该发动机将应用于重型运载火箭固体助推器中。

其他火箭

2015年11月下旬，中国航天科技集团公司一院研发中心完成了运载火箭子级回收群伞空投试验，这标志着我国运载火箭在部段回收技术上取得了新的进展，离实现可重复使用又近了一步。该院拟采用降落伞垂直下降方案来回收火箭。未来，火箭的芯一级还将增加“返航”设计，通过携带供自身返回的燃料，自主飞回预定区域，以备重复利用，从而降低运载火箭的发射成本。在2016年4月24日的首个“中国航天日”那天，中国航天科技集团公司一院研发中心表示，我国在研的可回收重复利用火箭在“十三五”期间有望看到成果。

2015年，中国航天科技集团公司五院502所成功研制出我国首个磁聚焦霍尔电推进系统，其较国外同类产品在比冲、效率等方面性能指标可提升20%以上，可广泛应用于我国未来的全电推进通信卫星平台。同年，中国航天科技集团公司五院510所研制的首个卫星用200mm离子电推进系统地面寿命及可靠性试验累计工作时间已超过11000h，已在轨可靠运行15年，目前还在试验中。这标志着我国电推进系统达到国际先进水平，将全面迈入工程应用阶段，能够满足我国通信卫星系列平台、高轨遥感平台以及空间探测器的发展需求。

中国航天科技集团公司一院研发中心进行运载火箭子级回收群伞空投试验

另外，我国“组合动力飞行器”项目已经开始研制。它是一种集成涡轮发动机、冲压发动机、火箭发动机等多种动力的飞行器。根据设计，它在起飞时会使用普通飞机所配备的涡轮发动机，当飞行器达到一定速度后，再使用适应高速飞行的冲压发动机进行冲刺，最后在大气稀薄的地方点燃火箭发动机，实现入轨。通过多种发动机“各司其职”，即在距离地面几十千米的大气层以内，组合动力飞行器可利用大气层中的氧气完成飞行；进入太空之后，再使用不依赖空气的火箭发动机，这样就大大降低了进入太空的成本。未来它将主要应用于距离地球几十千米到几百千米的太空飞行。预计，我国“组合动力飞行器”将于2030年左右投入使用。

司马/文

Launch Vehicle: a Convenient Access to Space