航天科普:長征二號E型捆綁式大推力運載火箭

長征二號E(代號:CZ-2E,簡稱:長二捆),是20世紀(jì)90年代初中國航天科技集團公司所屬中國運載火箭技術(shù)研究院抓總研制的一種大型兩級捆綁式大推力運載火箭。 長征二號E火箭芯一、二級是在長征二號丙丁 火箭的基礎(chǔ)上分別加長4.6米和5.2米,并在一級捆綁4個液體火箭助推器組成。該火箭于1988年12月啟動研制,1990年7月16日在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心首次發(fā)射成功。該火箭主要用于發(fā)射近地軌道(LEO)有效載荷。配以合適的上面級,可進行中高低軌道、地球同步轉(zhuǎn)移軌道等衛(wèi)星的發(fā)射。 長征二號E火箭的研制成功,標(biāo)志著我國首次突破了助推器捆綁技術(shù)、首次研制成功了火箭推進劑利用系統(tǒng)和大型火箭發(fā)射臺等36項關(guān)鍵技術(shù),為我國運載火箭進入國際發(fā)射服務(wù)市場起到了重要的推動作用。 20世紀(jì)80年中期,世界運載火箭和衛(wèi)星發(fā)射的商業(yè)市場十分活躍,每年都有大量的衛(wèi)星在尋求發(fā)射服務(wù)。隨著空間技術(shù)的發(fā)展,新一代通信衛(wèi)星的比例大幅升高占比70%,世界航天強國均轉(zhuǎn)向研制更先進、容量更大的新通信衛(wèi)星,重量在2.5~3.5段,最大直徑3.7米,遠遠超出中國長征三號火箭1.4噸地球同步轉(zhuǎn)移軌道的運載能力。從競爭角度分析,歐空局的阿麗亞娜4運載火箭能發(fā)射4.2噸重的通信衛(wèi)星,日本正在研制的H2型運載火箭可發(fā)射4噸的有效載荷。我國運載火箭為在國際發(fā)射市場占有一席之地,必須提高火箭運載能力,研制大推力新型火箭。 1985年10月,中國政府宣布,長征系列運載火箭投入國際市場,承攬對外發(fā)射服務(wù)。 1988年中國長城工業(yè)總公司與美國休斯公司草簽了用長征二號E火箭發(fā)射美國制造的澳大利亞通信衛(wèi)星的發(fā)射合同。 1986年,長征二號E火箭開始概念設(shè)計。 1988年12月,長征二號E運載火箭正式進入研制階段。 1990年7月16日,經(jīng)過了18個月的研制,由中國運載火箭技術(shù)研究院(簡稱“火箭院”)抓總研制的長征二號E運載火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心首次發(fā)射成功,將澳星模擬星/ 巴基斯坦衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。 1992年3月22日,長征二號E發(fā)射“奧賽特B1”通信衛(wèi)星,火箭點火7秒后因故障導(dǎo)致發(fā)動機緊急關(guān)機,發(fā)射終止。隨后研制方排查故障,進行改進。 1992年8月14日,長征二號E火箭第二次發(fā)射成功,將澳大利亞奧賽特公司“澳賽特B1”送入預(yù)定軌道。 1992年12月21日,長征二號E火箭發(fā)射“澳星B2”,火箭發(fā)射后47秒時,托在火箭頂部的衛(wèi)星發(fā)生突然爆炸,將前部整流罩炸開脫落。而在衛(wèi)星爆炸產(chǎn)生震動、運載重量突然減輕的情況下,長征二號E火箭自動調(diào)整好姿態(tài)后仍按原定程序正常飛行,將“澳星”爆炸后的剩余部分送入了預(yù)定軌道。 1995年11月,長征二號E火箭成功發(fā)射了亞星二號。 1995年12月28日,長征二號E火箭在西昌發(fā)射,成功將美國“艾科斯達”一號通信衛(wèi)星(又稱“回聲一號”)送入預(yù)定軌道,艾科斯達一號衛(wèi)星重3.3噸,為電視直播衛(wèi)星。這是我國為國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)市場專門研制的長征二號E火箭執(zhí)行的最后一次發(fā)射任務(wù)。長征二號E火箭一共發(fā)射了7次,成功5次,2次失敗,1次發(fā)射中止,先后將巴基斯坦科學(xué)實驗衛(wèi)星,澳星B1、澳星B3、亞洲二號通信衛(wèi)星以及“艾科斯達一號”通信衛(wèi)星送入太空。 長征二號E火箭首次采用先進的捆綁技術(shù),大大提高運載能力,并滿足了當(dāng)時發(fā)射重型低軌道衛(wèi)星的要求。該火箭芯級火箭和4個液體火箭助推器組成,芯級第一、二級是在長征二號丙火箭的基礎(chǔ)上分別加長4.6米和5.2米發(fā)展而來。長征二號E火箭全長51.2米,芯級直徑3.35米,單個捆綁助推器直徑2.25米、高15米。整個火箭的起飛質(zhì)量462噸,起飛推力640噸,可把9.2噸的有效載荷送入200千米高的圓軌道。該火箭上端配備了一個最大直徑為4.2米的整流罩,可以容納較大體積的衛(wèi)星或其他有效載荷。如果增加一個固體發(fā)動機上面級,則可將2.5噸至4噸的有效載荷送入距地面3.6萬千米高的地球同步轉(zhuǎn)移軌道。如果在第二級上安裝一個變軌上面級-ETS,可以承攬中軌道多星發(fā)射任務(wù)。 長征二號E全箭由箭體結(jié)構(gòu)、動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、遙測系統(tǒng)、外測安全系統(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 一子級加長到28.456米,上部是裝有液體四氧化二氮的氧化劑箱,下部是裝有液體偏二甲肼的燃燒劑箱。一子級裝配的發(fā)動機由四臺推力為75噸的液體發(fā)動機并聯(lián)而成。每臺發(fā)動機的噴口可以在伺服機構(gòu)的帶動下單向擺動以控制火箭飛行的姿態(tài),最大的擺動角為10度。 助推器 火箭每枚助推器捆長15.326米,上部是裝有液體四氧化二氮的氧化劑箱,下部是裝有液體偏二甲肼的燃燒劑箱。四個助推器各配有一臺推力為75噸的發(fā)動機,噴管固定不擺[1]。 二子級 二子級加長到10.448米,上部是裝有液體四氧化二氮的氧化劑箱,下部是裝有液體偏二甲肼的燃燒劑箱。二子級裝配有75噸推力的發(fā)動機(主發(fā)動機)和帶四個小噴管、推力為4.8噸的游動發(fā)動機。主發(fā)動機噴管固定不動,游動發(fā)動機噴管可作單向擺動,最大擺角60度,以控制箭體飛行姿態(tài)。 ETS ETS是與長征二號E運載火箭相配的三軸穩(wěn)定上面級。ETS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。 整流罩 長征二號E運載火箭的衛(wèi)星整流罩由端頭帽、前錐段、圓柱段和倒錐段組成。端頭帽和前錐段由玻璃鋼纖維材料制成,具有良好的無線電透波性。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。長征二號E火箭整流罩長10.448米,最大外直徑4.2米,其靜包絡(luò)絡(luò)絡(luò)最大直徑為3.8米。 星箭對接 長征二號E/ETS運載火箭一般用于多星發(fā)射,可根據(jù)飛行任務(wù)的不同提供不同的衛(wèi)星支架,用爆炸螺栓型接口與各個衛(wèi)星相連。 運載能力 長征二號E/ETS運載火箭的典型低軌(LEO)運載能力為6.06噸(h=1000千米,i=53°)。 長征二號E/ETS運載火箭的一子級和二子級首先將衛(wèi)星/ETS組合體送到轉(zhuǎn)移軌道,然后ETS的固體發(fā)動機在轉(zhuǎn)移軌道的遠地點點火將組合體送入更高的目標(biāo)軌道,然后進行姿態(tài)調(diào)整,最后將衛(wèi)星釋放。 長征二號E/ETS運載火箭的主要飛行事件如下: 助推器分離: 每個助推器都是分別通過前連接面的桿系結(jié)構(gòu)和后連接面的球頭結(jié)構(gòu)同火箭芯級相連的。在助推器發(fā)動機關(guān)機后,用于連接的爆炸螺栓和分離螺母分別解鎖,裝在助推器上固體小型分離火箭點火,將助推器推離火箭芯級,助推器自由下落完成分離。 一子級/二子級分離: 一子級/二子級分離是所謂的“熱分離”。在一子級發(fā)動機關(guān)機后,二子級主發(fā)動機點火,聯(lián)接兩級的爆炸螺栓起爆解鎖,這樣一子級就被二子級發(fā)動機噴出的高速燃氣流推離,一子級和二子級分離。 整流罩拋罩: 整流罩以“解鎖-翻轉(zhuǎn)-分離”方式進行拋罩。在橫向上整流罩與二子級通過12個橫向爆炸螺栓聯(lián)接,在縱向上兩半整流罩是由一根導(dǎo)爆索和4個縱向爆炸螺栓聯(lián)接。在拋罩時,12個橫向爆炸螺栓和4個縱向爆炸螺栓首先解爆,然后縱向?qū)П鹘獗惭b在二子級前端框上的分離彈簧將兩半整流罩推開分離。兩個整流罩半罩圍繞著二子級前端框上的鉸鏈翻轉(zhuǎn),隨著火箭加速上升整流罩分離下落。在拋罩過程中,不會發(fā)生碰撞和污染。 二子級/ETS分離: 二子級/ETS是通過分離彈簧的分離力來實現(xiàn)的。當(dāng)火箭控制系統(tǒng)發(fā)出二子級/ETS分離指令后,聯(lián)接火箭支架和分配器的爆炸螺栓起爆解鎖,安裝在火箭支架上的分離彈簧將ETS/衛(wèi)星組合體彈出。 衛(wèi)星/ETS分離: 衛(wèi)星與ETS的分離也是通過分離彈簧的分離力來實現(xiàn)的。當(dāng)火箭控制系統(tǒng)發(fā)出星箭分離指令,聯(lián)接衛(wèi)星和衛(wèi)星支架的爆炸螺栓起爆解鎖,衛(wèi)星被分離彈簧推離ETS。 長征二號E(長二捆)火箭的研制成功,使我國首次突破助推器捆綁技術(shù)、首次研制成功火箭推進劑利用系統(tǒng)和大型火箭發(fā)射臺等36項關(guān)鍵技術(shù),“長二捆”火箭的研制成功,為我國運載火箭進入國際市場起到了重要的推動作用。 長征二號E火箭是為適應(yīng)國際衛(wèi)星發(fā)射市場的需要而研制的。在發(fā)射之時,是中國火箭家族中運載能力最大的火箭,具有運載能力大、適應(yīng)性強等優(yōu)點,適于發(fā)射多種衛(wèi)星及空間飛行器,入軌偏差和入軌姿態(tài)偏差都很小,可實現(xiàn)精確入軌,以滿足各類衛(wèi)星發(fā)射精度要求。 長征二號E火箭創(chuàng)造了我國航天史上很多個傳奇,也讓國際航天界認識了我國火箭的實力。雖然我國更大推力的長征三號甲系列火箭已經(jīng)成為了我國對外商業(yè)發(fā)射服務(wù)的主力。但是,長征二號E火箭在中國航天史的上的地位永遠不可撼動。長征二號E對捆綁技術(shù)的嘗試,為后來我國發(fā)射載人飛船的專用火箭——長征二號F的研制奠定了堅實的基礎(chǔ)。