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从“长征”一号到“长征”五号

 

到现在,长征系列火箭已经进行了117次发射,而新一代长征火箭的研制也在紧锣密鼓地进行中。长征系列火箭发射的历程,既是我国航天事业从无到有、从弱到强的足迹,也见证了我国航天人近半个世纪的风雨兼程……

1970424日,长征一号火箭升空,这是我国长征系列火箭的首次发射,伴随太空中传来的东方红乐曲,我国航天活动的序幕就此拉开。

19751126日,长征系列火箭第4次发射,我国第一颗返回式卫星准确入轨。这次成功发射使中国成为世界上继美苏之后第三个掌握卫星返回技术和航天遥感技术的国家。

20031015日,长征系列火箭第71次发射,将神舟五号载人飞船送入太空,从此,宇宙空间开始出现中国人的身影。

200761日,长征三号甲运载火箭将鑫诺卫星送入轨道,这是长征系列火箭的第100次发射,总成功率达93%。

导弹变身运载火箭

1964年春,26岁的茹家欣刚刚从哈尔滨军事工程学院毕业,这位后来的运载火箭专家,被分配到国防部第五研究院一分院,这是我国当时负责研制运载火箭的机构,他在这里的工作,是参与某型号导弹研制。

时光荏苒。如今已是古稀老人的茹家欣回忆道:“‘长征一号运载火箭是在某型号导弹的基础上研制的。此型号和长征一号在研制过程中并没有严格地分开。长征一号火箭的一、二级就是这型号导弹,如果此型号导弹研制成功,就相当于长征一号的前两级成功了。

说起来简单,但当时研究人员需要解决一系列技术问题。首先是级间分离技术。经过研究,最终决定使用热分离的方法来完成这一工作。即二级火箭发动机在一级发动机熄火前零点几秒提前发动,通过二级发动机产生的喷焰将一级火箭出去,实现分离。这一技术经过四次飞行试验后终获成功。另外,相比火箭一级发动机,火箭二级延长了发动机的喷管,使喷口加大。

导弹实验成功,标志着长征一号的一级、二级火箭已准备就绪。但弹道导弹毕竟不同于运载火箭。弹道导弹只注重速度,速度越高,射程越远。但火箭不仅要求速度,还要求高度。高度不足,卫星运动阻力就大,导致其很快减速。如果高度在100公里以下,大气阻力很快会使卫星坠落,而高度在150公里以下,卫星的寿命也只有五六天。因此对于发射卫星来说,高度至少在180公里以上。

东方红一号是我国发射的第一颗卫星,当时控制技术还不是很成熟,偏差较大,因此设计轨道时高度选在300公里以上。此时如果偏低几十公里,高度就接近200公里了。如果设计高度是200公里,再偏低几十公里,实际高度可能只有100公里,就有掉下来的风险。茹家欣说。

因此,为了达到设计高度,必须在导弹的基础上,再加一个三级火箭。当时为了抢时间,没有采用相对复杂的液体发动机,使用的是技术比较成熟的固体燃料发动机。这样,当二级火箭点火后,速度已经达到6000/秒左右,关机后仍可依靠惯性继续飞行,当达到预定高度后,三级火箭点火加速,将卫星送入轨道。

长征一号首发,便成功将东方红一号卫星送入轨道,从此揭开我国航天活动的序幕。后来,长征一号又进行了第二次发射,成功将实践一号试验卫星送入轨道。至此,长征一号的两次发射均获成功。

一号二号的技术飞跃

长征一号飞行成功之后,中国运载火箭技术研究院继而又研制了我国的第二个液体运载火箭长征二号。都是脱胎于导弹,但长征二号是二级火箭,而且在技术和性能上有了大幅度提高。

茹家欣说,长征二号采用了当时新研制的75吨推力发动机,大大超过长征一号所用的发动机,后来所有的运载火箭都是以75吨发动机为基础研制的。虽然发动机性能提高,但和长征一号一样,长征二号在导弹变火箭过程中,也是解决了一系列技术难题后才得以实现。

尽管导弹的发动机推力很大,但达不到卫星要求的高度。当时此型号的二级火箭装有两种发动机,一种是75吨发动机,推力大,但方向固定,如果火箭出现误差无法校正。还有一种游动发动机,推力较小,有4个喷管,每个喷管产生1.2吨推力。但喷管可以摆动,控制火箭的姿态。

安装游动发动机的目的,一是为了调整火箭的姿态,二是为了提高火箭精度。因为当大推力发动机关机后,动力不会马上消失,残留燃料会继续燃烧产生推力。这种推力的误差较大,需要游动发动机进行调整。当大推力发动机关机,推力完全消失后,游动发动机才会关机。作为导弹,此时游动发动机只需要在大推力发动关机后再工作十几秒,关机高度为130公里左右,但这个高度不能满足卫星的入轨高度要求。

研究人员想出一个办法,那就是大推力发动机提前关机,将游动发动机的工作时间由十几秒增加到200秒,使整个二级火箭有足够的飞行时间去爬高。这样使近地点高度达到要求的180公里,远地点高度近300公里。由于控制水平比长征一号时提高很多,误差只有几公里,这个高度足以达到对地观测卫星的要求。

后来,在长征二号的基础上,研究人员不断改进,研制出新型号长征二号丙,使火箭的运载能力从1800公斤猛增到3000公斤。改进主要是将火箭的结构强度降了下来。茹家欣说,长征一号和二号都是在导弹基础上发展起来的,但导弹和火箭不同,导弹要求在任何条件下都能发射,对强度要求很高。火箭则不需要,可以选择适宜的条件发射,结构强度没必要那么强。因此按导弹的要求去设计火箭,是很不必要的。降低了强度,火箭的运载能力则得到了相应的提高。

中国火箭技术研究院总体设计部总体室的王国辉主任参与的第一次发射便是长征二号丙运载返回式卫星的任务。那次他和同事经过几个月努力,成功进行了第一次火箭在大气层内抛弃整流罩的尝试,圆满完成发射任务。

长征二号火箭共发射4次,3次成功,只有第一次失败。当时一根控制信号导线折断,火箭在起飞20秒以后姿态失稳,火箭自毁。对于失败,茹家欣和王国辉都表示,航天从本质上说就是个科学实验,只要是实验就有可能失败。而且航天工程太复杂,上万个元器件,有一个出问题就会导致失败。关键是要分析失败的原因,从失败中解决技术问题,来促进火箭的研究。从总体看,我国火箭发射失败率较其他国家要低,而且随着技术的成熟,自1997年至今,我国火箭发射便再无失败的记录。

氢氧发动机助推高轨卫星

长征三号是三级运载火箭,采用长征二号作为其一级、二级,对于第三级,当时有两套方案。一套是采用液氢/液氧发动机,另一套是采用常规燃料的发动机。当时院研制的是氢氧发动机,那时国外的氢氧发动机已经搞起来了,而刚开始,也不敢弄很大,先做了个实验性的,只有4个喷管,每个喷管的推力1吨多。茹家欣说。

使用常规燃料的发动机,一公斤燃料能够产生300公斤推力,而氢氧发动机一公斤燃料可产生将近440公斤的推力。优点不言而喻,但难题同样明显。摆在研制人员面前的难题是氢氧发动机在高空的二次点火。

长征三号第一次发射,就因氢氧发动机二次点火不成功而失败。长征三号的二级火箭关机时,还没有进入轨道,需要三级火箭第一次点火,工作几百秒后进入停泊轨道。由于长征三号要发射的地球同步轨道卫星的轨道必须处于赤道上空,所以在进入停泊轨道后,火箭还要依靠惯性向赤道飞行。当进入赤道上空时,三级发动机二次点火加速,使卫星速度达到10.3公里/秒,逐渐飞行到36000公里高度。但由于二次点火不成,造成发射失败。后来查找原因,发现是由于发动机温度没控制好,造成点火失败。

发现问题后,研制人员改进了发动机冷却时的程序,加大了用于冷却发动机的液氢、液氧用量,有效地改善了发动机二次点火的条件。4个月之后,火箭第二次发射取得圆满成功。长征三号发射成功后,在实验性氢氧发动机的基础上,新的大推力氢氧发动机被开发出来。

随着新的氢氧发动机的研制,一个新的火箭型号长征三号甲诞生。长征三号甲的三级火箭装备了280千牛氢氧发动机,推力将近160千牛。并且采用了新型的四框架平台取代原来的三框架平台来控制火箭的姿态,使火箭由原来只能做抬头低头的动作,发展到卫星要求调整到什么姿态,就能调整到什么姿态。自首飞以来,长三甲发射了多颗卫星,成功率百分之百,有金牌火箭之称。在此基础上,还发展出长征三号乙和长征三号丙等型号火箭。

另外,我国还研制出了长征四号系列火箭,这是一种与长征三号类似的三级火箭,不同的是其第三级采用了常温液体火箭发动机,主要用来发射太阳同步轨道卫星。

呼之欲出的新一代长征

长征系列运载火箭满足了我国目前各种卫星和载人飞船的发射要求,但与先进国家相比,仍有一定差距,而我国已经开始实施的探月工程和深空探测计划等,也对火箭技术提出了更高的要求。

据了解,目前我国的长征五号和长征七号(代号暂定)系列火箭正在紧锣密鼓地研制中。新一代的运载火箭采用两种发动机--氢氧发动机和液氧/煤油发动机。其中,芯级火箭使用单台70吨推力的氢氧发动机,一级火箭可以装四台。而助推器则使用液氧/煤油发动机,每台推力能达到120吨。而火箭上可以捆绑4个助推器。推力相当可观。

不同于前面的二级和三级火箭,新型的长征五号火箭是向一级半二级半发展。茹家欣解释说,芯级火箭算一级,助推器算一级,但助推器由于是在地面点火,因此只能算半级。一级半火箭用来发射低轨道卫星,而发射高轨道卫星需要再加一级,用二级半火箭运载。

茹家欣说,火箭趋势是向低级数发展,因为从安全的角度去考虑,级数越多越不可靠。早期由于火箭发展技术比较低,只有通过增加火箭级数的办法来增加飞行的高度和距离,没有其他办法。而现在随着发动机性能的提高和结构的减轻,可以使用更少的级数来完成任务,因此我国新一代火箭便是按照这个思路来研制。

新研制的长征七号,未来将替代目前的载人运载火箭长征二号F。王国辉目前的主要工作,就是负责长征七号的总体设计。他说,长征七号的运载能力更大,原来的长征二号F的运载能力为8.5吨,而 长征七号则达到13.5吨。除了用作载人运载火箭,王国辉表示,还要在这个基础上作系列化的发展,使其具备发射多种卫星和飞船的能力。

对于新一代火箭,王国辉和茹家欣这新老两代航天人都有着自己的期许。茹家欣说,我国现役的火箭,都是以75吨发动机为基础研制出来的,已经使用了40多年,应当有新的技术来替代它。非常希望新的火箭能早点造出来。王国辉的目标则是希望目前在飞的火箭能够确保每次都发射成功。研制中的火箭能够按时完成工作,首飞不出问题,达到任务的要求。

  2013年,长征七号将首飞。1年后,长征五号首飞。伴随着新一代火箭的升空,我国运载火箭的能力和水平将得到全面提升,并大大增强我国火箭的国际竞争力,实现我国航天运载技术的跨越式发展。  







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