跨越百发大关的长征三号甲系列运载火箭

文/李宇飞

在中国航天事业的发展征途中，有一型运载火箭格外亮眼，那就是长征三号甲系列运载火箭。这一型运载火箭对于我们国家从航天大国迈向航天强国，可以说是功不可没。从1994年2月8日长征三号甲运载火箭首飞成功算起，到今年长征三号甲系列运载火箭迎来第100次发射，一举跨入“百发俱乐部”，已经过去了25个年头。

长征三号甲系列运载火箭，包括长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙三个型号，作为我国航天领域的主力运载火箭，目前主要用于我国地球同步转移轨道及以上卫星、航天器的发射任务，在探月工程、北斗工程等国家重大工程项目建设中发挥了关键作用，被誉为通往月球，以及北斗组网工程的“专属列车”，在2007年被授予“金牌火箭”的称号。

作为我国单一系列发射数量最多的运载火箭，长征三号甲系列运载火箭以其卓越的品质创造了多项发射记录。2015年，长征三号甲系列运载火箭曾经创下109天执行7次发射并全部取得圆满成功的高密度发射记录，平均一枚火箭的任务周期仅为16天，达到目前世界主流运载火箭水平。2018年，长征三号甲系列运载火箭连续成功开展14次发射任务，创下了年度发射数量纪录，超过长征系列运载火箭全年发射任务的1/3。现在就让我们看看它的传奇经历吧。

▲火箭发射

光荣的“长三甲”传承

我国目前在役的长征系列运载火箭主要源自于远程运载火箭，以它为基础发展出了我国最基础的长征二号火箭。以此为基础，加上三级变成长征三号火箭。再经改进之后就形成了长征三号甲系列运载火箭。

长征二号运载火箭为二级液体运载火箭，主要用于发射高度在500千米以下的各类近地轨道卫星，低轨道运载能力为1.8吨。长征二号运载火箭3.35米的芯级直径，以有毒的四氧化二氮和偏二甲肼组合而成的推进剂体系，70吨级主发动机模块，都成为后续长征三号运载火箭发展的基础。

1975年，我国正式开展了卫星通信工程的研制工作。作为发射地球同步轨道通信卫星的必备运载工具，长征三号运载火箭也正式开展研制。长征三号运载火箭的一、二子级基本上与长征二号运载火箭的一、二子级一致，三子级决定采用可实现二次启动的液氢液氧发动机。

▲长征三号乙火箭

液氢的沸点是-253℃，液氧的沸点是-183℃，液氢和液氧在常温下极易挥发，而且氢气属于易燃易爆品，一旦泄露后果不堪设想。这些特性为液氢和液氧的生产、贮存、运输和使用带来了很多难题。另外液氢液氧发动机还需要在高空失重状态下进行二次启动，发动机的研制难度极大，是航天领域绝对的尖端技术。

尖端技术是买不来的，航天专家任新民对此深有体会。1978年他率领代表团赴美参观访问，美国宇航局局长明确地告诉他：“氢氧发动机是美国国家技术机密，不能看，也不能谈。”去日本时，也被告知“H-2火箭不能与中国谈合作或交流”，在欧洲也遇到类似的“遭遇”。

氢氧发动机技术是一项复杂的技术，而当时我国超低温技术基础薄弱，要在短时间内研制成功，无论在技术上还是材料设备、工艺设计方面都遇到很大困难。在1978年的一次氢氧文氏管和氢泵台的调试中，发生了严重的爆炸和起火事故，当场有10人受伤。同年3月在调试氢泵试验台时，又发生大火，火势直冲十米多高。

通过不断的总结经验教训，掌握液氢的安全排放和防爆等知识，1979年，氢氧发动机整机750秒试车成功。此后，在氢氧发动机试车中，涡轮泵轴承过热引起过破坏，发生过液氢泄露起火，涡轮泵次同步共振和“缩火”等问题。从1978年9月氢氧发动机整机50秒试车到1983年8月全系统试车圆满成功，经历了整整5个年头。

克服重重困难之后，1984年4月8日长征三号运载火箭首次飞行成功，将东方红二号试验通信卫星送入预定的地球同步转移轨道。长征三号运载火箭的研制成功使我国成为世界上第四个具有地球同步卫星发射能力的国家，也为我国长征三号甲系列运载火箭的研制奠定了坚实的基础。

身负重任而生

1986年3月，国务院批转了航天工业部起草的《关于加速发展航天技术的报告》。至此，长征三号甲运载火箭研制项目正式获准立项。

长征三号甲系列运载火箭的研制发展思路可以说就是在长征三号火箭的基础上“上改下捆、先改后捆、分步实施”。“上改”就是对长征三号火箭的第三级进行重新设计；“下捆”就是在一级火箭的四周捆绑若干个液体助推火箭。“先改后捆”是指先在芯级火箭的改造上下功夫，改成之后再研制以其为基础的捆绑型火箭。

对长征三号火箭的第三级进行重新设计后的火箭后来被命名为长征三号甲，在长征三号甲火箭的一级周围捆绑四个助推器的火箭称为长征三号乙，捆绑两个助推器的火箭称为长征三号丙。

1994年2月8日，长征三号甲运载火箭首次飞行试验成功。1997年8月20日，长征三号乙运载火箭首次飞行试验成功。2008年4月25日，长征三号丙运载火箭首次飞行试验成功。

长征三号甲运载火箭主要用于发射地球同步静止轨道卫星，其地球同步转移轨道的运载能力为2.6吨，比长征三号火箭的1.45吨高了近一倍。长征三号甲运载火箭在星箭分离前可以对有效载荷进行大姿态调控定向，并提供一定的起旋速率、起旋方向，以满足用户的特殊需求。

为了实现研制目标，在长征三号甲运载火箭的研制中，研制人员用了八年时间先后攻克了一百多项新技术和关键技术。远距离通用测发控系统、控制系统全冗余技术、三级氢氧发动机校准试车后不分解技术、激光惯性测量组合技术等新技术不仅国内领先，有的还赶上和超过了世界航天大国的技术水平。而YF-75大推力氢氧发动机、动调陀螺四轴平台、冷氦加温增压系统和低温氢气能源双摆伺服机构等四大关键技术的突破，不仅为长征三号甲运载火箭实现整体技术目标提供了可靠保证，还使我国的火箭技术跃上一个大台阶。

YF-75大推力氢氧发动机的总体技术水平，包括设计与生产制造不仅在当时的国内是最先进的，在国外也达到了同类发动机的先进水平。

作为火箭控制系统核心的动调陀螺四轴小型惯性平台，采用了全数字化技术和可编程电子式程序配电器技术。在不修改硬件的前提下，仅修改控制软件即可实现不同发射状态和对象的要求，具有适应性强、制导精度高等特点。

▲长征三号丙火箭

给第三级火箭液氧贮箱增压用的冷氦加温增压系统，属于世界上第二个完全依靠本国力量研制成功的高难项目，不仅使火箭运载能力提高了约200千克，还使三级发动机第一、二次点火工作之间的无动力滑行时间基本不受限制，进而可以灵活的满足不同卫星发射的需要，改善火箭的使用性能。

用于控制三级发动机摇摆的低温氢气能源双摆伺服机构，重新设计后减轻了100多千克的结构重量，攻克了气动机高速旋转条件下的干摩擦、自润滑、高低温区的快速交变等技术难关。

然而，在长征三号甲系列运载火箭的研制之路上也并非一帆风顺。长征三号乙的首飞就是一次严重的失利。由于火箭惯性基准平台失效，火箭点火起飞约2秒后，飞行姿态即出现异常，火箭偏离发射方向。飞行约22秒后，火箭撞上离发射架约1.85公里的山坡上，随即发生剧烈爆炸，星箭全部损失。

▲长征三号丙火箭总装

尽管遭受到了惨痛的失败，但长征三号甲系列运载火箭研制队伍卧薪尝胆，痛定思痛，迎接挑战，迅速找出了导致失利的故障模式，并进行改进，终于在首次失利一年半之后，取得了飞行试验的成功。

支撑高轨卫星应用

位于地球表面36000公里高度地球同步静止轨道的卫星，因为可以与地球表面保持相对的静止状态，因此可以实现对于地球固定地点长时间的无线通信联系和光学监视，这对于通信广播、气象监测等方面的应用有着巨大的价值。而打造我国高轨卫星应用基础的运载火箭，就是长征三号甲系列了。

1994年11月30日，长征三号甲运载火箭成功地将人们期盼已久的大容量、长寿命“东方红三号”通信卫星送入预定的地球同步转移轨道。经过多次成功变轨飞行后，卫星进入地球同步静止轨道。尽管由于卫星推进系统燃料泄漏，致使卫星定点未能成功，但已经验证了长征三号甲运载火箭构建我国高轨应用卫星系统的能力。1997年5月12日，第二颗“东方红三号”卫星由长征三号甲运载火箭成功发射，并于5月20日定点成功，实现了我国通信卫星研制技术的新跨越。

在2006年10月29日，长征三号乙运载火箭又将“东方红四号”通信卫星平台首星成功发射升空。“东方红四号”作为新一代大容量通信卫星，其技术指标已经达到和赶上了国际同类卫星的质量与水平。

位于地球同步轨道的另一种重要的应用卫星就是气象卫星。地球同步静止轨道上的气象卫星可以对同一地区实施连续观测，对于区域性气象预报作用更为重要。1997年6月10日，长征三号甲运载火箭载着风云二号卫星顺利升空，6天后卫星定点成功，开始在轨测试。同年12月1日，卫星正式交付运营。风云系列气象卫星投入业务运行后，成为我国现代化气象业务系统中不可或缺的重要组成部分，也被世界气象组织正式列为世界天气监视网全球观测系统的一个组成部分。

2016年12月11日凌晨，长征三号乙运载火箭又成功发射了一颗新一代静止轨道气象卫星，被称为“世界最先进水平的气象卫星”的“风云四号”。新一代的“风云四号”能力获得提升，对东西、南北各1000公里区域的观测时间仅需要1分钟，只需要15分钟即可完成一张地球圆盘图，而“风云二号”需要30分钟。

▲长征三号甲火箭

中继卫星享有“卫星的卫星”之誉，可为卫星、飞船等航天器提供数据中继和测控服务，能使资源卫星、环境卫星等数据实时下传，极大提高各类卫星使用效益和应急能力。2008年4月25日，中国首颗数据中继卫星“天链一号”在西昌卫星发射中心由长征三号丙运载火箭成功发射升空。这意味着中国航天器开始拥有天上数据“中转站”。此后，长征三号丙运载火箭又发射了3颗“天链一号”中继卫星，建成了比较完备的中继卫星系统，实现了全球组网运行。

2019年3月31日，长征三号乙运载火箭又将我国第二代数据中继卫星系统的第一颗卫星，即“天链二号”数据中继卫星首星成功发射入轨。针对载人航天器、卫星、运载火箭等用户的数据传输速率和多目标服务能力将会获得较大提升。

▲火箭吊装

长征三号乙运载火箭在2015年12月29日还成功发射过一颗具有里程碑意义的卫星，即“高分四号”静止轨道凝视遥感卫星。这是作为中国第一个地球同步轨道遥感卫星发射到太空中，也是世界唯一一颗颗静止轨道遥感卫星。“高分四号”尽管距离地面高达3.6万公里，但仍能实现可见光50米、中波红外谱段500米的高分辨率。高分四号所采用的大口径面阵凝视相机，一次就能拍摄相当于河南省大小的国土面积。

除此以外，长征三号甲系列运载火箭发射了迄今为止所有的北斗导航卫星，发射的轨道涵盖地球静止轨道、倾斜地球同步轨道和中轨道等多种不同类型，有力的支撑了北斗导航系统从构建试验系统，到构建区域导航系统，直到建成全球导航系统。

长征三号甲系列运载火箭还搭建了地球通往月球的“天梯”。自2007年10月24日，长征三号甲运载火箭托举“嫦娥一号”升空，将其送入近地点200公里、远地点51000公里、轨道倾角31°的超地球同步转移轨道。后续的嫦娥二号绕月探测器、嫦娥三号落月探测器、嫦娥五号T1飞行试验器、嫦娥四号落月探测器也都由长征三号甲系列运载火箭成功发射，并直接送入地月转移轨道。