航天科普:長征二號丙運載火箭

長征二號丙(代號:CZ-2C)是中國航天科技集團公司所屬中國運載火箭技術(shù)研究院研制的一型兩級常規(guī)液體運載火箭。該火箭主要用于發(fā)射低軌和太陽同步軌道衛(wèi)星。 長征二號丙運載火箭是在長征二號的基礎(chǔ)上改進設(shè)計,采用四氧化二氮/偏二甲肼作為推進劑。長征二號丙于1976年啟動研制,1982年9月9日首次發(fā)射成功。截止到2022年3月5日,共計發(fā)射59次。 長征二號丙運載火箭具有高可靠性和不斷更新能力。在數(shù)十年來的數(shù)十次發(fā)射中,該火箭完成了國家賦予的一系列任務(wù),為中國第一型“金牌火箭”,具有能在多個發(fā)射場發(fā)射多種軌道衛(wèi)星的能力。 截至2022年9月9日,長二丙火箭已服役四十年,成為我國服役年限最長的火箭。 1965年,中國運載火箭技術(shù)研究院(航天科技集團一院,航天一院)開展的各種探空火箭、固體火箭的研制和發(fā)射試驗都取得了較大的進展,獲得了必要的技術(shù)儲備。 1970年4月24日,長征一號運載火箭首次發(fā)射,成功將我國的第一顆人造衛(wèi)星東方紅一號送入預(yù)定軌道。標志著我國跨入了航天時代。 1971年,我國第一顆返回衛(wèi)星正式立項,其運載火箭按照運載火箭序列化命名為長征二號,長征二號運載火箭的低軌道運載能力為1400千克。 1974年11月5日,長征二號火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心首次發(fā)射。火箭起飛后姿態(tài)失穩(wěn),22秒后在空中炸毀,發(fā)射失敗。結(jié)果分析表明:由于俯仰通道速率陀螺與變換發(fā)生器間開路,造成俯仰通道姿態(tài)失穩(wěn),導(dǎo)致飛行失敗。設(shè)計隊伍分析失利原因后改進了火箭相關(guān)設(shè)計。 1975年11月26日,長征二號火箭首飛,成功將尖兵一號返回式國土普查衛(wèi)星送入軌道。 1974年至1978年,長征二號火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心共發(fā)射了4次。 20世紀70年代末期,我國根據(jù)發(fā)射衛(wèi)星的需要,又對長征二號火箭進行改進,啟動了長征二號丙的研制工作。 中國運載火箭技術(shù)研究院對長征二號運載火箭進行了改進設(shè)計,提高火箭的可靠性,使其近地軌道運載能力由原來的1800千克提高到2400千克。改進后的長征二號被正式名為長征二號丙運載火箭。 長征二號丙火箭分為兩級狀態(tài)和三級狀態(tài),直徑3.35米,全長40~43米,I、II級使用常規(guī)推進劑,上面級使用固體發(fā)動機。I、II級采用平臺+計算機控制,上面級采用慣組+計算機控制。 1975年,長征二號丙火箭進行了第一次發(fā)射。 1982年起,長征二號丙火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心接連11次發(fā)射成功。 1987年6月16日,中國長城工業(yè)集團有限公司與法國馬特拉公司在當(dāng)年的巴黎航展上簽訂了在長征二號丙運載火箭發(fā)射的返回式衛(wèi)星上搭載其微重力實驗裝置的合同。同年8月5日長征二號丙火箭發(fā)射我國第9顆返回式衛(wèi)星,成功搭載了法國馬特拉公司的兩臺微重力實驗裝置,并于8月10日安全返回。這是長城工業(yè)集團有限公司首次簽署商務(wù)搭載合同,向國外用戶提供星上搭載服務(wù)。同年,長征二號丙火箭在成功發(fā)射我國第11顆返回式衛(wèi)星后,因連續(xù)7次發(fā)射成功,被中國質(zhì)量協(xié)會授予“全國質(zhì)量金獎”。 1992年10月,長征二號丙火箭在發(fā)射我國第14顆返回式衛(wèi)星時,順利搭載了瑞典的“弗利亞”號科學(xué)試驗衛(wèi)星。 1993年,長征二號丙火箭承擔(dān)了美國摩托羅拉公司銥星的發(fā)射任務(wù)。根據(jù)衛(wèi)星的要求,長征二號丙火箭需要進行重大的技術(shù)改進,在原二級火箭的基礎(chǔ)上增加一個全新的上面級,稱為長征二號丙改火箭。1997年至1999年長征二號丙改火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心連續(xù)7次發(fā)射成功,將摩托羅拉公司2顆銥星模擬星及12顆組網(wǎng)銥星送入軌道。 1997年9月1日,改進后的長征二號丙火箭發(fā)射,成功地將兩顆銥星模擬星送入預(yù)定軌道。12月8日,我國第一次用長征二號丙/SD火箭成功實施了低軌衛(wèi)星組網(wǎng)發(fā)射。長征二號丙/SD火箭以一箭雙星的方式,將美國摩托羅拉公司制造的銥星送入軌道,為長征火箭首次為外國用戶提供一箭雙星發(fā)射服務(wù)。 1998年3月26日長征二號丙/SD遙三火箭發(fā)射成功,完成了長征運載火箭的第50次發(fā)射。 1999年,由于長征二號丙改進型火箭連續(xù)7次成功發(fā)射銥星及其模擬星,加上此前長征二號丙系列火箭連續(xù)14次發(fā)射成功,原中國航天工業(yè)總公司授予長征二號丙改火箭“金牌火箭”的光榮稱號。 2003年長征二號丙SM火箭第一次在西昌衛(wèi)星中心執(zhí)行衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。長征二號丙/SM火箭最突出的特點是研制了一個全新的固體上面級。 2003年至2004年長征二號丙SM火箭發(fā)射的地球空間雙星探測計劃(赤道星、極軌星)是國家航天局與歐洲空間局的合作項目。12月,長征二號丙火箭從成功發(fā)射探測一號衛(wèi)星到2004年11月成功發(fā)射試驗衛(wèi)星二號,在不到一年的時間里,以兩種技術(shù)狀態(tài)、分赴3個發(fā)射場、成功發(fā)射5次,將6顆衛(wèi)星送入太空,在我國航天史上沒有先例。 2003年,長征二號丙SM火箭成功地將探測1號衛(wèi)星發(fā)射到了近地點550千米、遠地點66970千米、傾角28.5度的預(yù)定衛(wèi)星工作軌道,這是中國發(fā)射的工作軌道最高的一顆衛(wèi)星。 2004年,發(fā)射試驗衛(wèi)星二號時搭載了清華研制的小衛(wèi)星“鈉星”。7月,長征二號丙火箭以全新的姿態(tài)回到酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的新發(fā)射工位,完成了新一代尖兵偵察衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。 2004年至2005年,長征二號丙火箭分別在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心和酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心連續(xù)4次發(fā)射成功。 截至2011年12月,長征二號丙系列火箭共完成了33次發(fā)射,連續(xù)32次發(fā)射成功。長征二號丙改進型火箭運載能力已成功達到4000千克。 2018年1月25日13時39分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丙運載火箭,成功將遙感三十號04組衛(wèi)星發(fā)射升空,衛(wèi)星進入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。 7月9日11時56分,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙火箭,以“一箭雙星”的形式成功將兩顆巴基斯坦遙感衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。這也是長二丙火箭在1999年完成“銥星”發(fā)射服務(wù)后,時隔19年重返國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場。9月7日11時15分,海洋一號C衛(wèi)星在太原衛(wèi)星發(fā)射中心由長征二號丙火箭成功發(fā)射,這是“海洋一號”系列的第三顆衛(wèi)星,也是我國民用空間基礎(chǔ)設(shè)施"十二五"規(guī)劃中4顆海洋業(yè)務(wù)衛(wèi)星的首發(fā)星。 2020年3月24日11時43分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丙運載火箭,成功將遙感三十號06組衛(wèi)星發(fā)射升空。衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道,任務(wù)獲得圓滿成功。 2021年7月19日8時19分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丙運載火箭,成功將遙感三十號10組衛(wèi)星發(fā)射升空,衛(wèi)星進入預(yù)定軌道。 2022年10月13日6時53分,我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙運載火箭(簡稱長二丙火箭),成功將5米S-SAR01星發(fā)射升空,衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。 2022年10月13日6時53分,我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丙運載火箭,成功將環(huán)境減災(zāi)二號E星送入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。 長征二號丙的主要控制設(shè)備安裝在火箭最前端的儀器艙中,箱間段和級間段也安裝有部分控制設(shè)備。為使火箭的質(zhì)心位置盡量靠前以提高靜穩(wěn)定性,一、二子級推進劑貯箱都是將密度較大的氧化劑安排在前,密度較小的燃料安排在后。級間段由殼段和桿系兩種結(jié)構(gòu)組成,桿系結(jié)構(gòu)用以在一、二子級進行熱分離時順暢地排放二子級發(fā)動機噴出的燃氣。兩種整流罩具有不同的對接部位,以適應(yīng)不同的有效載荷需求。發(fā)射支點設(shè)在一子級發(fā)動機機架的最前端,以利于發(fā)射支撐的穩(wěn)定和傳力結(jié)構(gòu)的合理利用。一、二子級的級間分離面設(shè)在二子級機架與殼體的連接面處,以便最大程度地減輕二子級的結(jié)構(gòu)質(zhì)量,提高運載能力。 箭體結(jié)構(gòu) 長征二號丙的箭體結(jié)構(gòu)由整流罩、儀器艙、推進劑貯箱、級間段、箱間段、尾段等部分組成。箭體結(jié)構(gòu)的主要材料是鋁合金。 一子級結(jié)構(gòu) 一子級箭體結(jié)構(gòu)由級間段、氧化劑貯箱、箱間段、燃料貯箱、后過渡段和尾段組成,結(jié)構(gòu)總質(zhì)量8.6噸。級間段由級間殼段和級間桿系兩部分不同的結(jié)構(gòu)構(gòu)成[2][13]。 二子級結(jié)構(gòu) 二子級箭體結(jié)構(gòu)由儀器艙、氧化劑貯箱、箱間段和燃料貯箱等部分組成。 燃料貯箱和氧化劑貯箱均為承力式結(jié)構(gòu),都由橢球形前、后底和較短的筒段構(gòu)成。貯箱內(nèi)都安裝有防晃板、消漩器、增壓兼安全溢出管、液位傳感器、溫度傳感器等。 搭載艙 搭載艙是專門為搭載有效載荷提供服務(wù)的艙段,位于主有效載荷與儀器艙之間(主有效載荷使用A型整流罩)。搭載艙的作用是將主有效載荷、搭載有效載荷、A型整流罩和運載火箭連成一體,維持運載火箭外形的完整,提供搭載有效載荷使用空間,并有利于有效載荷入軌后的分離。搭載艙外徑2.2米,高度和結(jié)構(gòu)形式可按有效載荷的需要進行設(shè)計。 軌道轉(zhuǎn)移艙 軌道轉(zhuǎn)移艙的功用是通過軌道轉(zhuǎn)移的辦法,將有效載荷送入比長征二號丙所能達到的正常軌道更高的軌道。根據(jù)有效載荷最終軌道的需要,可以設(shè)計成一次轉(zhuǎn)移或二次轉(zhuǎn)移來實現(xiàn)最終軌道要求。長征二號丙采用旋轉(zhuǎn)穩(wěn)定和固體火箭推進的軌道轉(zhuǎn)移艙來實現(xiàn)有效載荷的軌道轉(zhuǎn)移,不希望旋轉(zhuǎn)入軌的有效載荷可在入軌分離前進行消旋。該軌道轉(zhuǎn)移艙既可用于主有效載荷,也可用于搭載有效載荷。 分配器 分配器是一個三軸穩(wěn)定的上面級,由衛(wèi)星支架和軌道機動級組成。軌道機動級由固體發(fā)動機、主結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、姿態(tài)控制系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)等組成。固體發(fā)動機可以根據(jù)飛行任務(wù)的不同而調(diào)整。 衛(wèi)星整流罩 在火箭飛行穿過大氣層這段過程中,火箭頂部的衛(wèi)星整流罩保護衛(wèi)星免受來自大氣層的各種干擾。衛(wèi)星整流罩為衛(wèi)星提供了一個良好的環(huán)境。長征二號丙改進型運載火箭的衛(wèi)星整流罩由端頭帽、前錐段、圓柱段組成。端頭帽由玻璃鋼纖維材料制成,具有良好的無線電透波性。前錐段和圓柱段是由金屬蜂窩材料制成,倒錐段由化銑合金材料制成。如果需要,無線電透波窗口和操作窗口可以在柱段和前錐段上開口。長二丙改火箭整流罩長7.818米,最大外直徑3.35米,其靜包絡(luò)最大直徑為3.0米。 星箭對接 長征二號丙改進型火箭可以提供標準的937B和1194機械接口,衛(wèi)星的下端框與火箭的有效載荷支架的上端框?qū)?,通過包帶來鎖緊。也可以提供爆炸螺栓型接口。 長征二號丙采用由液體火箭發(fā)動機、泵壓式推進劑輸送系統(tǒng)和自生增壓系統(tǒng)組成的推進系統(tǒng),使用常規(guī)液體推進劑,氧化劑為四氧化二氮,燃料為偏二甲肼。 一子級系統(tǒng) 一子級推進系統(tǒng)由組合發(fā)動機、推進劑輸送系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、火工品及電纜、機架等構(gòu)成。火箭發(fā)動機由4臺獨立的單機通過機架并聯(lián)而成的組合發(fā)動機。 二子級系統(tǒng) 二子級推進系統(tǒng)由推力室、渦輪泵、渦輪工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)、推進劑供應(yīng)系統(tǒng)、增壓系統(tǒng)、火工品及電纜和機架等組成。 配套系統(tǒng) 長征二號丙火箭的其他配套系統(tǒng),如制導(dǎo)控制、分離系統(tǒng)、遙測跟蹤和自毀系統(tǒng)等,均與長征二號火箭的系統(tǒng)功能相同。 長征二號丙共有四種系列型號: 長征二號丙/SD:根據(jù)美國摩托羅拉公司銥星發(fā)射任務(wù)的要求,中國運載火箭技術(shù)研究院對長征二號丙火箭進行了修改,在長征二號丙的二級火箭上增加了上面級和采用飛行驗證的技術(shù)和硬件研制出來的多星智能分配器 (Smart Dispenser,縮寫:SD) ,火箭更名為長征二號丙/SD(LM-2C/SD)。1997年12月8日首次發(fā)射成功,隨后長征二號丙/SD成功地完成了6次美國摩托羅拉公司銥星發(fā)射任務(wù),將12顆組網(wǎng)銥星送入預(yù)定軌道。 長征二號丙/CTS:是在長征二號丙基礎(chǔ)上加上面級發(fā)展而成。該火箭可用于發(fā)射低地球軌道、橢圓地球軌道、太陽同步軌道及地球同步轉(zhuǎn)移軌道的不同類型衛(wèi)星。 長征二號丙/SM:2003年首次發(fā)射,安裝了改進版的固體上面級。 長征二號丙/SMA:該火箭比常規(guī)的長征二號丙火箭,增加了一級固體上面級,以提升運載能力。長征二號丙/SAM火箭2008年9月6日首次發(fā)射環(huán)境1A/1B衛(wèi)星。 長征二號丙火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心(JSLC)進行發(fā)射?;鸺b載在專用列車上運往酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心,進行各種測試和操作活動,包括單元測試和火箭狀態(tài)恢復(fù)。隨后火箭由北技術(shù)測試廠房轉(zhuǎn)運到北發(fā)射場、火箭各子級在發(fā)射場起豎對接、在發(fā)射場的三次總檢查、衛(wèi)星/火箭聯(lián)合操作、火箭推進劑加注、以及最后發(fā)射倒計時。一般發(fā)射場操作程序要持續(xù)27天。 2021年6月18日14時30分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丙運載火箭成功將遙感三十號09組衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。 8月24日19時15分,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心用長征二號丙運載火箭/遠征一號S遙二上面級,成功將融合試驗衛(wèi)星01/02星送入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。 2022年3月5日14時01分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙運載火箭,成功將銀河航天02批衛(wèi)星(6顆)和1顆暄銘星愿微納衛(wèi)星(“宣城一號”通訊遙感雙模衛(wèi)星)發(fā)射升空。衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。 4月29日12時11分,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙運載火箭,成功將四維01/02兩顆衛(wèi)星發(fā)射升空,衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。 該任務(wù)是長征系列運載火箭第417次飛行。 5月20日18時30分,我國在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙運載火箭,采取一箭三星方式,成功將3顆低軌通信試驗衛(wèi)星發(fā)射升空。衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。該低軌通信試驗衛(wèi)星主要用于開展在軌通信技術(shù)試驗驗證。 6月2日12時00分,我國在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙運載火箭,成功將吉利星座01組衛(wèi)星發(fā)射升空,9顆衛(wèi)星順利進入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。 7月16日6時57分,我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心使用長征二號丙運載火箭(以下簡稱“長二丙火箭”),采用“一箭雙星”方式成功將四維高景二號01、02星送入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)取得圓滿成功。 10月13日6時53分,我國在太原衛(wèi)星發(fā)射中心采用長征二號丙運載火箭,成功發(fā)射環(huán)境減災(zāi)二號05星。 1987年,長征二號丙火箭在成功發(fā)射我國第11顆返回式衛(wèi)星后,因連續(xù)發(fā)射成功,被中國質(zhì)量協(xié)會授予“全國質(zhì)量金獎”。 1998年,長征二號丙火箭被原中國航天工業(yè)總公司授予“金牌火箭”,是我國第一枚“金牌火箭”。 1999年,長征二號丙火箭被中國航天科技集團公司授予“優(yōu)質(zhì)液體運載火箭”稱號。 長征二號丙火箭的技術(shù)狀態(tài)在不斷優(yōu)化和改進,重點是提高可靠性。各國火箭的發(fā)展過程表明,運載火箭發(fā)射是一個復(fù)雜的系統(tǒng)工程,其中潛在的一些設(shè)計、技術(shù)問題不可能在一次或幾次發(fā)射中就完全暴露出來,有的可能在首飛中暴露,有的可能要在多次飛行以后,才能被充分認識。只有在把所有的問題都認識清楚、徹底解決以后,才能真正做到“穩(wěn)妥可靠、萬無一失”。長征二號丙火箭研制隊伍在努力實現(xiàn)長征二號丙系列火箭“運載市場化”,提高長征二號丙火箭的市場競爭力。
長征二號丙運載火箭的前身長征二號運載火箭
長征二號丙運載火箭在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射
長征二號丙運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射