航天科普:長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭
長(zhǎng)征三號(hào)乙(代號(hào):CZ-3B)是上世紀(jì)90年代末,中國(guó)航天科技集團(tuán)公司所屬中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院研制的一型三級(jí)液體捆綁火箭,主要用于發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道重型衛(wèi)星、輕型衛(wèi)星、一箭多星、北斗導(dǎo)航衛(wèi)星及其它軌道衛(wèi)星的發(fā)射。
長(zhǎng)征三號(hào)乙是在長(zhǎng)征三號(hào)甲(CZ-3A)和長(zhǎng)征二號(hào)E(CZ-2E)火箭的基礎(chǔ)上研制的,以長(zhǎng)征三號(hào)甲(CZ-3A)作為芯級(jí),捆綁四枚2.25米直徑液體助推器構(gòu)成,助推器及其捆綁結(jié)構(gòu)則與長(zhǎng)征二號(hào)E基本相同。長(zhǎng)征三號(hào)乙于1989年7月開始總體方案設(shè)計(jì),1996年2月15日首次發(fā)射失敗,1997年8月20日第二次發(fā)射成功。
長(zhǎng)征三號(hào)乙是我國(guó)用于商業(yè)發(fā)射服務(wù)的主力火箭。該火箭不僅有效提高了長(zhǎng)征三號(hào)系列火箭高軌道的運(yùn)載能力,還形成了完整系列。
2021年12月30日00時(shí)43分,我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭,成功將通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星九號(hào)發(fā)射升空,衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。
我國(guó)為了適應(yīng)重型衛(wèi)星(通信衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星等)的發(fā)射需求,在長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭研制成功后,就開始論證研制運(yùn)載能力更大的長(zhǎng)征三號(hào)甲運(yùn)載火箭。長(zhǎng)征三號(hào)甲于1985年3月開始方案論證,1986年4月正式研制。
在實(shí)施長(zhǎng)征三號(hào)甲研制之后不久,在滿足國(guó)內(nèi)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)的同時(shí),中國(guó)航天科技集團(tuán)公司又著眼進(jìn)入國(guó)際商業(yè)航天發(fā)射市場(chǎng),適時(shí)啟動(dòng)了長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭的研制。
1989年7月,中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院開始長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭的總體方案設(shè)計(jì)。
長(zhǎng)征三號(hào)乙的設(shè)計(jì)指標(biāo)顯示,其主要任務(wù)是發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道的重型衛(wèi)星,亦可進(jìn)行輕型衛(wèi)星的一箭多星發(fā)射或發(fā)射其它軌道的衛(wèi)星。長(zhǎng)征三號(hào)乙的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為5.0噸。推銷發(fā)射的發(fā)射費(fèi)用為5600萬(wàn)美元,計(jì)劃商業(yè)發(fā)射費(fèi)用為7000~8000萬(wàn)美元(1993年幣值)。
1993年2月1日,國(guó)防科工委正式批準(zhǔn)長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭立項(xiàng)研制。長(zhǎng)征三號(hào)乙以長(zhǎng)征三號(hào)甲火箭為芯級(jí),芯一級(jí)火箭四周捆綁了四個(gè)液體火箭助推器,能夠?qū)?噸左右的有效載荷送入36000千米的地球同步轉(zhuǎn)移軌道,長(zhǎng)三乙也由此成為當(dāng)時(shí)我國(guó)運(yùn)載能力最大的運(yùn)載火箭。
1996年2月15日,長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭首次發(fā)射國(guó)際708通信衛(wèi)星,由于一個(gè)焊點(diǎn)虛接導(dǎo)致平臺(tái)的一個(gè)電子元器件失效,使得慣性基準(zhǔn)傾斜,火箭按錯(cuò)誤發(fā)出的姿態(tài)矯正信號(hào)進(jìn)行姿態(tài)矯正,導(dǎo)致火箭在飛行22秒以后,觸地爆炸,首飛失敗。在首飛失敗以后,中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院用了半年多的時(shí)間來(lái)進(jìn)行故障調(diào)查、試驗(yàn)驗(yàn)證等工作,對(duì)火箭進(jìn)行改進(jìn)提升。
1997年8月20日,第二枚長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心再次起飛,把美國(guó)勞拉公司為菲律賓制造的“馬步海”號(hào)衛(wèi)星順利送入遠(yuǎn)離地球數(shù)萬(wàn)公里的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。
1997年10月17日,第三枚長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射成功,又把美國(guó)勞拉公司為亞太衛(wèi)星公司生產(chǎn)的“亞太2R”衛(wèi)星精確地送入了地球同步轉(zhuǎn)移軌道。
2021年9月27日,我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭發(fā)射試驗(yàn)十號(hào)衛(wèi)星。
10月24日,我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭,將實(shí)踐二十一號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空。
11月27日,我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭,將“中星1D”衛(wèi)星發(fā)射升空。
長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭主要用于發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星,其運(yùn)載能力達(dá)到5.5噸,是中國(guó)用于商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)的主力火箭。長(zhǎng)三乙火箭還可執(zhí)行其它軌道要求的任務(wù),并且還可滿足有效載荷調(diào)姿、再定向和起旋要求,以及雙星和多星發(fā)射的要求等。長(zhǎng)三乙火箭可提供多種整流罩以適應(yīng)不同用戶的需要。
長(zhǎng)征三號(hào)乙全箭由箭體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、遙測(cè)系統(tǒng)、外測(cè)安全系統(tǒng)、滑行段推進(jìn)劑管理與姿態(tài)控制系統(tǒng)、低溫推進(jìn)劑利用系統(tǒng)、分離系統(tǒng)以及輔助系統(tǒng)等組成。
箭體結(jié)構(gòu)
一子級(jí)
一子級(jí)上部是裝有四氧化二氮(N2O4)的氧化劑箱,下部是裝有偏二甲肼(UDMH)的燃燒劑箱,總長(zhǎng)24.76米(為增強(qiáng)型數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)型為23.272米)。一子級(jí)裝配的發(fā)動(dòng)機(jī)是由四臺(tái)推力為75噸的YF-75型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)而成。每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的噴口可以在伺服機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下單向擺動(dòng)以控制火箭飛行的姿態(tài),最大的擺動(dòng)角為10度。
助推器
每枚助推器捆長(zhǎng)16.094米(為增強(qiáng)型數(shù)據(jù),標(biāo)準(zhǔn)型為15.326米),上部是裝有液體四氧化二氮(N2O4)的氧化劑箱,下部是裝有液體偏二甲肼(UDMH)的燃燒劑箱,并在尾部各安裝了一個(gè)尾翼。四個(gè)助推器各配有一臺(tái)推力為75噸的YF-51型發(fā)動(dòng)機(jī),噴管固定不擺。
二子級(jí)
二子級(jí)長(zhǎng)9.943米,上部是裝有液體四氧化二氮(N2O4)的氧化劑箱,下部是裝有液體偏二甲肼(UDMH) 的燃燒劑箱。二子級(jí)裝配有75噸推力的發(fā)動(dòng)機(jī)(主發(fā)動(dòng)機(jī))和帶四個(gè)小噴管、推力為4.8噸的游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)。主發(fā)動(dòng)機(jī)噴管固定不動(dòng),游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)噴管可作單向擺動(dòng),最大擺角60度,以控制箭體飛行姿態(tài)。
三子級(jí)
三子級(jí)長(zhǎng)12.375米,上部是裝有液氫(LH2)的燃燒劑箱,下部是裝有液氧(LOX)的氧化劑箱。三子級(jí)采用的是氫氧發(fā)動(dòng)機(jī),具有二次啟動(dòng)能力,由兩臺(tái)獨(dú)立的單管發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)而成,每臺(tái)推力8噸,可在伺服機(jī)構(gòu)的帶動(dòng)下雙向擺動(dòng),最大綜合擺角4度,控制三子級(jí)箭體飛行姿態(tài)。
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(hù)衛(wèi)星免受來(lái)自大氣層的各種干擾。衛(wèi)星整流罩為衛(wèi)星提供了一個(gè)良好的環(huán)境。長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭的衛(wèi)星整流罩由端頭帽、雙錐段、圓柱段和倒錐段組成。端頭帽由玻璃鋼纖維材料制成,具有良好的無(wú)線電透波性。雙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(wú)線電透波窗口和操作窗口可以在柱段和雙錐段上開口。長(zhǎng)三乙火箭整流罩長(zhǎng)9.56米,最大外直徑4.0米,其靜包絡(luò)最大直徑為3.65米。
星箭接口
長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭可以提供多種機(jī)械接口,但一般來(lái)說,提供標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)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(lái)鎖緊。
系列型號(hào)
標(biāo)準(zhǔn)型
長(zhǎng)征三號(hào)乙標(biāo)準(zhǔn)型火箭共有2種構(gòu)型:長(zhǎng)征三號(hào)乙標(biāo)準(zhǔn)型(CZ-3B)、長(zhǎng)征三號(hào)乙改一型(CZ-3B/G1)。
標(biāo)準(zhǔn)型火箭現(xiàn)已停產(chǎn),后續(xù)發(fā)射任務(wù)由長(zhǎng)征三號(hào)乙增強(qiáng)型承擔(dān)。
長(zhǎng)征三號(hào)乙標(biāo)準(zhǔn)型
長(zhǎng)征三號(hào)乙標(biāo)準(zhǔn)型(CZ-3B)火箭芯一級(jí)與助推器為不加長(zhǎng)狀態(tài),使用4000F型整流罩,控制系統(tǒng)為平臺(tái)+激光慣組主從冗余方案。
火箭全長(zhǎng)54.838米,一、二子級(jí)直徑3.35米、助推器直徑2.25米,三子級(jí)直徑3.0米,整流罩直徑4.0米,起飛質(zhì)量425.8噸,標(biāo)準(zhǔn)GTO運(yùn)載能力為5.1噸。
長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭于1996年2月15日首次飛行發(fā)射國(guó)際708通信衛(wèi)星失敗,火箭起飛22秒后觸地爆炸。在1997年8月和10月則成功地發(fā)射了菲律賓馬部海衛(wèi)星和亞太二號(hào)R衛(wèi)星。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改一型
長(zhǎng)征三號(hào)乙改一型(CZ-3B/G1)是在長(zhǎng)征三號(hào)標(biāo)準(zhǔn)型的基礎(chǔ)上,采用起飛滾轉(zhuǎn)定向、雙向風(fēng)補(bǔ)償、三級(jí)一次工作、串聯(lián)式雙星分離,使用3700Z加長(zhǎng)型(3700ZS型)雙星整流罩。
火箭全長(zhǎng)57.056米,整流罩直徑3.7米。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改一型執(zhí)行過Y14、Y15兩發(fā)北斗雙星發(fā)射任務(wù)。
增強(qiáng)型
長(zhǎng)征三號(hào)乙增強(qiáng)型火箭(CZ-3B/E)是在標(biāo)準(zhǔn)型(CZ-3B)的基礎(chǔ)上改進(jìn)而來(lái)的,其加長(zhǎng)了芯級(jí)和助推器,GTO運(yùn)載能力有所提升。共有4種構(gòu)型:長(zhǎng)征三號(hào)乙改二型(CZ-3B/G2)、長(zhǎng)征三號(hào)乙改三型(CZ-3B/G3)、長(zhǎng)征三號(hào)乙改三Z型/遠(yuǎn)征一號(hào)(CZ-3B/YZ-1)和長(zhǎng)征三號(hào)乙改五型(CZ-3B/G5)。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改二型
長(zhǎng)征三號(hào)乙改二型(CZ-3B/G2)是在長(zhǎng)征三號(hào)標(biāo)準(zhǔn)型的基礎(chǔ)上,芯一級(jí)加長(zhǎng)1.488米,助推器加長(zhǎng)0.768米,采用長(zhǎng)征二號(hào)F的二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī),二級(jí)結(jié)構(gòu)得到加強(qiáng),同時(shí)使用4000F型整流罩??刂葡到y(tǒng)有兩種狀態(tài)可選:平臺(tái)+激光慣組主從冗余方案;雙激光慣組主從冗余/衛(wèi)星導(dǎo)航復(fù)合制導(dǎo)方案。
火箭全長(zhǎng)56.326米,整流罩直徑4.0米,起飛質(zhì)量458.97噸,標(biāo)準(zhǔn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為5.5噸,地月轉(zhuǎn)移軌道(TLI)運(yùn)載能力達(dá)到3.78噸。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改二型于2007年5月14日首次成功發(fā)射尼日利亞通信衛(wèi)星一號(hào),并于2013年12月2日成功發(fā)射了我國(guó)自主研發(fā)的嫦娥三號(hào)月球探測(cè)器。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改三型
長(zhǎng)征三號(hào)乙改三型(CZ-3B/G3)繼承了改二型的基本狀態(tài),使用4200F型整流罩,控制系統(tǒng)為雙激光慣組/衛(wèi)星導(dǎo)航復(fù)合制導(dǎo),運(yùn)用了遙測(cè)圖像實(shí)時(shí)傳輸技術(shù),飛行可靠性達(dá)到0.942。
火箭全長(zhǎng)56.542米,整流罩直徑4.2米,標(biāo)準(zhǔn)GTO運(yùn)載能力為5.4噸。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改三型于2011年9月19日首次成功發(fā)射中星一號(hào)A。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改三Z型
長(zhǎng)征三號(hào)乙改三Z型(CZ-3B/G3Z)繼承了改三型的基本狀態(tài),使用4200Z型整流罩,采用1194A衛(wèi)星支架,安裝姿控發(fā)動(dòng)機(jī)和姿控貯箱。該構(gòu)型通常與遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)相配合?;鸺L(zhǎng)57.126米,整流罩直徑4.2米,標(biāo)準(zhǔn)GTO運(yùn)載能力為5.2噸。
長(zhǎng)征三號(hào)乙/遠(yuǎn)征一號(hào)
長(zhǎng)征三號(hào)乙/遠(yuǎn)征一號(hào)(CZ-3B/YZ-1)即長(zhǎng)征三號(hào)乙改三Z型+遠(yuǎn)征一號(hào)。是在長(zhǎng)征三號(hào)乙改三Z型火箭的基礎(chǔ)上,加裝了我國(guó)自主研制的遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí),形成了一個(gè)四級(jí)火箭。該火箭主要用于執(zhí)行北斗衛(wèi)星的“一箭雙星”直接入軌發(fā)射任務(wù)。
長(zhǎng)征三號(hào)乙/遠(yuǎn)征一號(hào)21500公里中地球軌道(MEO)運(yùn)載能力為2.2噸,遠(yuǎn)征一號(hào)上面級(jí)按照MEO雙星發(fā)射的狀態(tài),運(yùn)載能力可以達(dá)到1100公斤/星。
長(zhǎng)征三號(hào)乙/遠(yuǎn)征一號(hào)于2015年7月25日首次成功發(fā)射兩顆新一代北斗導(dǎo)航衛(wèi)星。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改五型
長(zhǎng)征三號(hào)乙改五型(CZ-3B/G5)是在長(zhǎng)征三號(hào)乙改三Z型火箭基礎(chǔ)上,通過發(fā)射軌道優(yōu)化設(shè)計(jì)、新研4200ZL 整流罩(整流罩加長(zhǎng)了900毫米)、控制系統(tǒng)采用迭代+攝動(dòng)制導(dǎo)方案、應(yīng)用主動(dòng)減載技術(shù)、采用火箭全方位起飛滾裝定向方案、研制2334A 接口衛(wèi)星支架和星箭解鎖裝置等措施,從而能夠包絡(luò)更大的衛(wèi)星。
該構(gòu)型不僅能夠發(fā)射地球同步轉(zhuǎn)移軌道有效載荷,還將覆蓋太陽(yáng)同步軌道有效載荷的發(fā)射任務(wù),500公里太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力達(dá)到4.5噸。
長(zhǎng)征三號(hào)乙改五型于2020年12月6日首飛成功發(fā)射高分十四號(hào)衛(wèi)星。
2021年2月4日23時(shí)36分,中國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭,成功將通信技術(shù)試驗(yàn)衛(wèi)星六號(hào)發(fā)射升空,衛(wèi)星進(jìn)入預(yù)定軌道。
2022年4月15日20時(shí),我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭,成功將中星6D衛(wèi)星發(fā)射升空。衛(wèi)星順利進(jìn)入預(yù)定軌道,發(fā)射任務(wù)獲得圓滿成功。此次任務(wù)是長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭第415次飛行。
長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭的研制中靈活地采用了模塊化、系列化、通用化(三化) 的設(shè)計(jì)思想,使用了多項(xiàng)成熟技術(shù),如大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)、四軸平臺(tái)技術(shù)、冷氦加溫增壓技術(shù)、氫能源氣動(dòng)機(jī)伺服機(jī)構(gòu)等。
長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭的研制成功,使我國(guó)運(yùn)載火箭的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力得到補(bǔ)充和加強(qiáng),不僅可以滿足發(fā)射我國(guó)大型通信衛(wèi)星平臺(tái)的需要,也提高了我國(guó)運(yùn)載火箭的適應(yīng)性,為衛(wèi)星的設(shè)計(jì)提供較寬松的環(huán)境,增強(qiáng)了在國(guó)際商用發(fā)射市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)能力。
長(zhǎng)征三號(hào)乙火箭從其研制成功的上世紀(jì)世紀(jì)90年代至21世紀(jì)初期,是我國(guó)運(yùn)載能力最大的火箭,其技術(shù)水平和運(yùn)載能力達(dá)到了當(dāng)時(shí)的世界先進(jìn)水平。




