揭秘长三甲系列:“金牌火箭”是这样炼成的

2018-02-13 来源:科普中国-军事科技前沿 作者:赵清建

  编者按:

  北斗卫星导航系统(以下简称北斗系统)是中国着眼于国家安全和经济社会发展需要,自主建设、独立运行的卫星导航系统,是为全球用户提供全天候、全天时、高精度的定位、导航和授时服务的国家重要空间基础设施。目前,我国正在实施北斗三号系统建设,计划到2020年前后,完成30余颗卫星发射组网,为全球用户提供服务。

  北斗系统,在建设过程中实现了核心关键技术的全面突破,涌现出大批优秀科研攻关团队和个人。即日起,《军事科技前沿》将持续聚焦北斗系统建设,解读其中的核心装备、关键元器件等重要技术突破,以及在这背后默默付出的科技工作者和他们所展现出的科学精神。

  出品:科普中国

  作者:赵清建

  监制:光明网科普事业部

  2月12日,长征三号甲系列火箭将北斗三号“一箭双星”的形式送入预定轨道,继1月12日以来,短短一个月,长征三号甲系列火箭先后两次“一箭双星”发射,成功将四颗北斗卫星送入太空。

  

  2月12日,北斗三号工程第五、六颗组网卫星在西昌发射。梁珂岩摄

  长征三号甲系列运载火箭由长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙(简称长三甲、长三乙、长三丙火箭)三种大型低温液体运载火箭组成,由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院抓总研制,是我国目前高轨道上发射次数最多、成功率最高的火箭系列。

  作为我国发射高轨航天器的现役中型运载火箭,长征三号甲系列火箭自诞生以来一直保持着旺盛的生命力和不断完善创新的研发实力。那么,长三甲系列是如何进化成为“金牌火箭”的呢?

  适应不同需求 提升通用性

  长征三号甲系列火箭从方案设计时就始终贯彻了“系列化、组合化、通用化”的三化设计思想,在长征三号火箭的已有基础上,按照“上改下捆、先改后捆、坚持三化、统筹发展”的总体方案,首先研制了长征三号甲火箭作为系列化的第一步,再以长征三号甲作为芯级,捆绑4枚或者2枚助推器,形成长征三号乙和长征三号丙火箭,使我国运载火箭的地球同步转移轨道(GTO)运载能力形成了从2600kg到3900kg、再到5500kg的合理能力梯度,极大提高了我国运载火箭的任务适应性。

  

  性能的提升来自坚持不懈的打磨 史啸摄

  由于采用了三化设计思想,长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙三型火箭之间具有良好的继承性和通用性,经过近年来的不懈努力,基本实现了箭上电气产品、增压输送系统产品、以及主动力系统完全通用,大部段结构、推进剂贮箱、以及辅助动力系统基本通用,地面加注及测发控设备完全通用,为系列火箭的组批生产以及高强密度发射任务的顺利实施奠定了技术基础。

  适应更高需求 提升适应性

  技术创新是长征三号甲系列火箭的优良传统。长征三号甲系列火箭研制时期就采用了以大推力氢氧发动机、动调陀螺四轴平台、冷氦加温增压和氢气能源双摆伺服机构为代表的上百项性能先进的新技术,服役初期的长征三号甲系列火箭综合性能达到了国际一流水平。

  随着用户及卫星平台对火箭运载能力要求的提高,长征三号乙火箭在标准型基础上提出了一级和助推器加长,增加推进剂加注量的提高运载能力方案,实现了长征三号乙火箭标准GTO运载能力从5100kg到5500kg的跃升,进一步拓展了系列火箭进入空间的能力。

  

  长征三号甲系列火箭可以承担多种类型发射任务 史啸摄

  2008年4月25日,系列中的长征三号丙火箭首飞成功,成为中国首个非全对称火箭,标志着中国突破了非全对称火箭设计技术,使得中国高轨任务运载能力分布更加合理,实现了长征三号甲系列火箭真正的系列化、组合化。

  长征三号甲系列火箭还承担着北斗工程组网建设任务,为满足工程需要开展了大量的创新性工作,突破了以长征三号乙串连双星发射火箭设计、多轨道面设计技术、起飞滚转定向、双向高空风补偿、冷氦增压系统冗余等为代表的几十项关键技术,圆满完成了组网发射任务。

  长征三号甲系列火箭还承担了探月工程任务一期、二期发射任务,以及三期的验证任务。针对月球探测任务特点,长征三号甲系列火箭突破了地月转移轨道设计技术、多窗口和窄窗口发射等关键技术。圆满完成了嫦娥一号、嫦娥二号、嫦娥三号及嫦娥五号T1探测器的发射任务。

  适应北斗组网 提升可靠性

  可靠性工作是型号研制发展的基石,尤其对火箭组批生产和高密度发射的成功发挥了至关重要的作用。目前,长征三号甲系列火箭飞行可靠度已从研制初期的0.91提高到0.94(置信度0.7)的水平。

  火箭研制团队早期实现了姿态控制系统速率陀螺冗余,消除了速率陀螺单点失效故障模式,重点解决了火箭三级液氢液氧发动机结构改进,火箭可靠性工作初见成效,并开始步入持续改进的轨道。

  火箭研制团队针对控制系统和动力系统两项薄弱环节,开展了可靠性增长工作,着力提高平台、伺服机构等一批关键单机及三级发动机部分组件的可靠性,开展控制系统系统级冗余,实现了平台惯组主从冗余,消除了平台单点失效故障模式,实现了三子级发动机校准试车后不分解交付,满足了组批生产可靠性要求。

  近年来,随着可靠性工作的深入,火箭研制团队从整体上提高飞行可靠性,成为长征三号甲系列火箭可靠性工作的目标。针对全箭各系统,针对设计、工艺、测试多个环节,开展了多项可靠性增长项目。实现了助推增加射程关机、冷氦增压系统冗余方案等。

  长征三号甲系列火箭可靠性的不断提升,可靠性工作的广度、维度、深度、细度、力度进一步加大,取得了丰硕的成果,为系列型号的连续成功打下了坚实的基础。

责任编辑:王超

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