張亦樸，周天帥，劉立東，李 聃，胡 煒

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

2020年6月23日，長(zhǎng)征三號(hào)乙遙六十八火箭在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射了北斗工程第55顆全球?qū)Ш叫l(wèi)星，即北斗三號(hào)最后一顆衛(wèi)星，標(biāo)志著我國(guó)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)的建成。

我國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航工程按照“三步走”的發(fā)展路線，經(jīng)過(guò)了北斗一號(hào)、北斗二號(hào)、北斗三號(hào)工程共3期的研制工作，最終建成了北斗三號(hào)全球衛(wèi)星導(dǎo)航定位系統(tǒng)。三期北斗工程的所有衛(wèi)星，均由CZ-3A系列運(yùn)載火箭進(jìn)行發(fā)射，包括北斗一號(hào)衛(wèi)星4次發(fā)射，北斗二號(hào)衛(wèi)星18次發(fā)射，北斗三號(hào)衛(wèi)星22次發(fā)射，共計(jì)44箭、59星，發(fā)射任務(wù)均取得了圓滿成功，北斗工程發(fā)射任務(wù)的成功率達(dá)到100%。

CZ-3A系列火箭基本型共有3款火箭，如圖1所示。其中CZ-3B、CZ-3C是在CZ-3A火箭的基礎(chǔ)上分別捆綁了4枚助推器和2枚助推器，CZ-3B、CZ-3C火箭也有部分衍生構(gòu)型[1-3]。我國(guó)分別使用了CZ-3A系列運(yùn)載火箭的7個(gè)構(gòu)型：CZ-3A、CZ-3B/G1、CZ-3B/G3、CZ-3B/YZ-1、CZ-3C、CZ-3C/G2、CZ-3C/YZ-1，完成了北斗衛(wèi)星的全部發(fā)射任務(wù)。

圖1 CZ-3A系列火箭基本構(gòu)型圖Fig.1 Configurations of LM-3A series launch vehicle

本文對(duì)CZ-3A系列運(yùn)載火箭進(jìn)行簡(jiǎn)介，對(duì)北斗工程研制中的運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展進(jìn)行系統(tǒng)梳理和總結(jié)，分析了北斗工程發(fā)射任務(wù)情況，并對(duì)未來(lái)的技術(shù)發(fā)展進(jìn)行展望。

1 CZ-3A系列火箭簡(jiǎn)介

CZ-3A系列火箭為三級(jí)液體中型運(yùn)載火箭，三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)具備二次啟動(dòng)能力，主要用于發(fā)射中軌道(Medium Earth Orbit，MEO)衛(wèi)星、地球同步轉(zhuǎn)移軌道(Geostationary Transfer Orbit，GTO)衛(wèi)星和深空探測(cè)等有效載荷。

CZ-3A系列研制中，按照“上改下捆、先改后捆、堅(jiān)持三化、統(tǒng)籌發(fā)展”的總體方案，在CZ-2C火箭的基礎(chǔ)上，首先研制火箭氫氧三子級(jí)構(gòu)成CZ-3A 火箭，作為火箭系列化的第一步，再以CZ-3A作為芯級(jí)，捆綁4枚或者2枚助推器，形成CZ-3B 和CZ-3C 火箭。

1986年2月，中國(guó)新一代通信衛(wèi)星工程正式立項(xiàng)，CZ-3A作為工程配套的火箭也正式啟動(dòng)研制工作，在充分繼承CZ-3火箭成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，突破了以大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)、動(dòng)調(diào)陀螺四軸平臺(tái)、冷氦加溫增壓和氫氣能源雙擺伺服機(jī)構(gòu)4大關(guān)鍵技術(shù)為代表的上百項(xiàng)新技術(shù)項(xiàng)目，使我國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)跨上一個(gè)新臺(tái)階；同時(shí)也使我國(guó)火箭GTO 運(yùn)載能力達(dá)到了2 600 kg，提升了中國(guó)運(yùn)載火箭在國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)上的競(jìng)爭(zhēng)力。1994年2月8日，CZ-3A火箭首飛發(fā)射實(shí)踐四號(hào)衛(wèi)星和模擬星獲得圓滿成功；CZ-3A火箭主要任務(wù)包括DFH-3平臺(tái)通信衛(wèi)星、北斗一號(hào)衛(wèi)星、北斗二號(hào)IGSO軌道衛(wèi)星、嫦娥一號(hào)探測(cè)器、風(fēng)云二號(hào)衛(wèi)星等。2007年10月24日，CZ-3A火箭發(fā)射中國(guó)首個(gè)月球探測(cè)器嫦娥一號(hào)圓滿成功,共計(jì)發(fā)射12顆北斗衛(wèi)星。2007年6月15日，CZ-3A 火箭被中國(guó)航天科技集團(tuán)公司授予“金牌火箭”稱號(hào)，27次發(fā)射全部圓滿成功。

以CZ-3A火箭為基礎(chǔ)，上改下捆，研制了CZ-3B 火箭，經(jīng)過(guò)多年改進(jìn)，逐步發(fā)展出CZ-3B/G1～G5共5個(gè)構(gòu)型。盡管在1996年2月15日首飛發(fā)射國(guó)際708衛(wèi)星失敗，但完成全面的質(zhì)量整頓和徹底歸零后，CZ-3B火箭鳳凰涅槃，浴火重生，圓滿完成了以馬部海通信衛(wèi)星、亞太二號(hào)R通信衛(wèi)星、中衛(wèi)一號(hào)通信衛(wèi)星、鑫諾一號(hào)、亞太6號(hào)通信衛(wèi)星等為代表的多項(xiàng)國(guó)外商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射，真正走出國(guó)門，在國(guó)際商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)中占據(jù)了一席之地。CZ-3B火箭及其各種改進(jìn)構(gòu)型是CZ-3A系列火箭的主力火箭，主要發(fā)射高軌通信衛(wèi)星、北斗二號(hào)的MEO軌道衛(wèi)星、北斗三號(hào)衛(wèi)星和風(fēng)云四號(hào)氣象衛(wèi)星等。2013年12月2日，CZ-3B火箭將嫦娥三號(hào)探測(cè)器送入太空，為探測(cè)器月面軟著陸，開(kāi)展月面原位探測(cè)與自動(dòng)巡視探測(cè)奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。2018年12月8日，CZ-3B火箭將嫦娥四號(hào)探測(cè)器送入太空，實(shí)現(xiàn)了人類首次月背軟著陸。截止到2020年10月，CZ-3B火箭共發(fā)射70次。

依托于我國(guó)第一代中繼衛(wèi)星工程，研制了配置2枚助推器的CZ-3C火箭。2008年4月25日，CZ-3C火箭首飛發(fā)射天鏈一號(hào)01星圓滿成功，標(biāo)志著中國(guó)突破了非全對(duì)稱火箭設(shè)計(jì)技術(shù)，中國(guó)高軌任務(wù)運(yùn)載能力分布更加合理，實(shí)現(xiàn)了CZ-3A 系列火箭真正的系列化、組合化。CZ-3C火箭標(biāo)準(zhǔn)地球同步轉(zhuǎn)移軌道發(fā)射能力達(dá)到3 900 kg。截止到2020年10月，CZ-3C火箭共發(fā)射17次，全部獲得圓滿成功。CZ-3A系列火箭現(xiàn)役構(gòu)型如圖2所示，各構(gòu)型運(yùn)載能力和發(fā)射次數(shù)如表1所示。

圖2 CZ-3A系列火箭現(xiàn)役構(gòu)型圖Fig.2 Configuration of available LM-3A series launch vehicle

CZ-3A、CZ-3B和CZ-3C火箭的起飛質(zhì)量分別為243,456和366 t，總長(zhǎng)度分別約為52.5,56.5,56.3 m。助推器直徑2.25 m，一、二子級(jí)直徑3.35 m，三子級(jí)直徑3 m。有效載荷整流罩柱段直徑分別為3.35,4.2,4.0 m?；鸺破?、一、二子級(jí)以N2O4/UDMH為推進(jìn)劑，三級(jí)以低溫LOX/LH2為推進(jìn)劑。

2 北斗一號(hào)工程期間的技術(shù)發(fā)展

1994年，經(jīng)過(guò)充分論證，北斗一號(hào)工程立項(xiàng)，為雙星有源定位的試驗(yàn)系統(tǒng)。北斗一號(hào)衛(wèi)星采用東方紅三號(hào)平臺(tái)，衛(wèi)星質(zhì)量約為2 300 kg，需要運(yùn)載火箭送入GTO軌道。當(dāng)時(shí)國(guó)內(nèi)運(yùn)載火箭具備高軌發(fā)射能力的僅有CZ-3、CZ-3A，CZ-3火箭的GTO軌道運(yùn)載能力只有1 400 kg，無(wú)法滿足任務(wù)要求，CZ-3A火箭成為了唯一的選擇。

1994年首飛后，CZ-3A火箭又完成了3次東方紅三號(hào)平臺(tái)通信衛(wèi)星的發(fā)射后，從遙五火箭開(kāi)始，踏上了北斗衛(wèi)星發(fā)射的征程。

2000年的CZ-3A遙五火箭、遙六火箭，2003年的遙七火箭和2007年的遙十二火箭，成功發(fā)射了4顆北斗一號(hào)衛(wèi)星。從遙五火箭開(kāi)始，CZ-3A火箭開(kāi)始進(jìn)行速率陀螺冗余，踏出了控制系統(tǒng)冗余的第一步；遙測(cè)系統(tǒng)改為S波段2 Mbps傳輸狀態(tài)，數(shù)據(jù)傳輸容量增加到以前的3倍，極大地提升了數(shù)據(jù)的獲取能力。遙七火箭開(kāi)始搭載激光慣組，為之后平臺(tái)/慣組主從冗余開(kāi)展飛行驗(yàn)證，增加了全箭出廠測(cè)試，取消技術(shù)區(qū)的分系統(tǒng)和總檢查測(cè)試，大幅優(yōu)化發(fā)射場(chǎng)工作流程；到遙十二火箭發(fā)射北斗一號(hào)04星時(shí)，CZ-3A火箭已成長(zhǎng)為控制系統(tǒng)系統(tǒng)級(jí)冗余、遙測(cè)系統(tǒng)為S波段2 Mbps狀態(tài)，發(fā)射場(chǎng)工作周期從約50 d優(yōu)化為約30 d的可靠性高、數(shù)據(jù)獲取能力強(qiáng)、發(fā)射場(chǎng)工作周期短的低溫高軌運(yùn)載火箭，這也為后續(xù)CZ-3A系列火箭成為我國(guó)“北斗專列”奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

3 北斗二號(hào)工程期間的技術(shù)發(fā)展

北斗二號(hào)為具有中國(guó)特色的區(qū)域衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，分別運(yùn)行于地球同步軌道(Geostationary Earth Orbit，GEO)、傾斜地球同步軌道(Inclin-ed Geosynchronous Orbit，IGSO)和中軌道(MEO)，需要用14枚火箭將16顆衛(wèi)星送入3種不同的轉(zhuǎn)移軌道。從2007年4月CZ-3A遙十三火箭發(fā)射北斗二號(hào)試驗(yàn)星開(kāi)始，CZ-3A系列火箭又進(jìn)入了北斗二號(hào)衛(wèi)星的發(fā)射征程中，這次發(fā)射的是CZ-3A系列火箭的全家族。

3.1 CZ-3A火箭

CZ-3A 遙十三火箭發(fā)射北斗二號(hào)試驗(yàn)星時(shí)，實(shí)現(xiàn)了8個(gè)第一次，完美地賦予了火箭新的意義，即第一次采用遠(yuǎn)距離測(cè)試發(fā)射，第一次使用西昌衛(wèi)星發(fā)射中心三號(hào)工位，第一次采用起飛滾轉(zhuǎn)定向，第一次預(yù)置全年發(fā)射軌道射前進(jìn)行選擇，第一次采用雙向風(fēng)補(bǔ)償，第一次三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)一次工作，第一次東南射向，第一次使用新的落區(qū)。

1)采用全新的東南射向進(jìn)行軌道設(shè)計(jì)。研究規(guī)劃了新射向下火箭飛行航跡和各子級(jí)殘骸落區(qū)，相對(duì)以往，減少了一個(gè)陸上落區(qū)，將整流罩和二子級(jí)的落區(qū)均設(shè)計(jì)在海上，從而減輕了陸上落區(qū)安全保障的困難。新東南射向軌道設(shè)計(jì)方案既滿足了工程對(duì)火箭運(yùn)載能力的需求，也保證了工程對(duì)IGSO/MEO衛(wèi)星部署的需要，再結(jié)合東射向發(fā)射GTO軌道設(shè)計(jì)技術(shù)，從而突破了實(shí)現(xiàn)不同軌道面星座組網(wǎng)衛(wèi)星發(fā)射難題，為北斗二號(hào)衛(wèi)星成功組網(wǎng)打下了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

2)首次突破了雙向風(fēng)補(bǔ)償技術(shù)。通過(guò)引入三檔典型設(shè)計(jì)風(fēng)場(chǎng)，改變火箭一級(jí)飛行段的俯仰程序角和偏航程序角以降低高空風(fēng)引起的攻角和側(cè)滑角方式，有效減小了火箭飛行中的氣動(dòng)載荷。雙向風(fēng)補(bǔ)償技術(shù)既保證了火箭安全可靠飛行，又提高了火箭按時(shí)發(fā)射的概率。

3)率先在長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭上采用起飛滾轉(zhuǎn)定向技術(shù)。地面固定射向瞄準(zhǔn)、起飛滾轉(zhuǎn)技術(shù)有效解決原地面瞄準(zhǔn)方向與射向不一致問(wèn)題，減少了地面瞄準(zhǔn)間的改造，充分利用了發(fā)射場(chǎng)現(xiàn)有資源，通過(guò)合理可靠的軌道滾動(dòng)程序設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了火箭多射向發(fā)射能力，滿足了北斗二號(hào)工程對(duì)火箭組網(wǎng)任務(wù)不同射向的需求。

起飛滾轉(zhuǎn)定向首先采用現(xiàn)有的光學(xué)瞄準(zhǔn)方法及流程，對(duì)慣性平臺(tái)按地面可用瞄準(zhǔn)方位進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，然后對(duì)慣性平臺(tái)滾動(dòng)通道進(jìn)行加矩，使得平臺(tái)對(duì)實(shí)際的射面進(jìn)行對(duì)準(zhǔn)，待火箭飛出發(fā)射塔架后滾轉(zhuǎn)箭體，使火箭的Ⅰ-Ⅲ象限線調(diào)整到要求的射面內(nèi)，即實(shí)現(xiàn)箭體對(duì)空間方位的對(duì)準(zhǔn)?；鸺瓿蓾L轉(zhuǎn)定向后狀態(tài)與通用的狀態(tài)一致，能充分繼承成熟的設(shè)計(jì)方式和設(shè)計(jì)成果，保證了發(fā)射和飛行可靠性。

4)首次采用三級(jí)一次工作入軌方案。將入軌航程由約8 000 km減小約4 000 km，避免了采用三級(jí)兩次工作模式下，星箭分離點(diǎn)位于澳大利亞中部上空，需要在澳大利亞領(lǐng)海外布設(shè)測(cè)量船或租用國(guó)外測(cè)量站的復(fù)雜、難以實(shí)現(xiàn)的測(cè)控模式。采用一次入軌方案，僅需一艘測(cè)量船即可完成入軌段的測(cè)控任務(wù)，大大簡(jiǎn)化了測(cè)控方案，提高了測(cè)控可實(shí)現(xiàn)性和經(jīng)濟(jì)性，為工程順利實(shí)施奠定了基礎(chǔ)。

CZ-3A火箭執(zhí)行了MEO試驗(yàn)星和IGSO軌道衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

3.2 CZ-3B火箭

北斗二號(hào)衛(wèi)星質(zhì)量為2 t級(jí)，IGSO軌道衛(wèi)星使用CZ-3A火箭發(fā)射即可滿足工程任務(wù)要求。對(duì)于處于同一軌道面的MEO衛(wèi)星使用CZ-3A火箭一箭一星發(fā)射有些浪費(fèi)，使用CZ-3B火箭一箭雙星發(fā)射就成了必然的選擇。

基于任務(wù)要求，將CZ-3B之前采用的直徑4 m整流罩、分體吊裝狀態(tài)，改為3.7 m整流罩、整體吊裝的一箭雙星狀態(tài)，命名為CZ-3B/G1火箭，突破了大型衛(wèi)星平臺(tái)串聯(lián)雙星外支撐發(fā)射技術(shù)、低溫末級(jí)整體吊儀器艙設(shè)計(jì)技術(shù)、雙星聯(lián)合操作流程優(yōu)化技術(shù)、串聯(lián)雙星分離設(shè)計(jì)技術(shù)等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，填補(bǔ)了我國(guó)高軌道一箭雙星發(fā)射火箭系列型譜的空白。

首次采用雙星串聯(lián)外支撐技術(shù)，研制了整體吊整流罩，優(yōu)化了火箭外形結(jié)構(gòu)，降低了飛行氣動(dòng)載荷，提高了火箭運(yùn)載能力，有利于分離系統(tǒng)設(shè)計(jì)，降低了發(fā)射場(chǎng)操作的復(fù)雜性，提高了產(chǎn)品組合化程度。CZ-3B/G1火箭外支撐串聯(lián)雙星發(fā)射結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 CZ-3B/G1火箭外支撐串聯(lián)雙星發(fā)射結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure of tandem duo-satellites of LM-3B/G1 launch vehicle

突破了儀器艙的輕質(zhì)化和低溫防護(hù)設(shè)計(jì)技術(shù)，創(chuàng)新研制了基于K型梁結(jié)構(gòu)的整體吊儀器艙，實(shí)現(xiàn)了低溫環(huán)境下儀器艙的優(yōu)化布局和儀器艙內(nèi)空間的合理有效利用。創(chuàng)新提出了基于大型衛(wèi)星平臺(tái)的串聯(lián)雙星安全分離設(shè)計(jì)技術(shù)，解決了雙星分離和遠(yuǎn)場(chǎng)安全的技術(shù)難題，采用新的遠(yuǎn)場(chǎng)分析技術(shù)。

CZ-3B火箭執(zhí)行了北斗二號(hào)MEO軌道衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

3.3 CZ-3C火箭

北斗二號(hào)衛(wèi)星工程發(fā)射GTO軌道衛(wèi)星采用的運(yùn)載火箭為CZ-3C火箭，有別于以往GTO軌道發(fā)射采用的火箭，它是我國(guó)第一枚非軸對(duì)稱構(gòu)型大型液體運(yùn)載火箭。俯仰、偏航兩個(gè)通道氣動(dòng)特性完全不同，姿態(tài)控制系統(tǒng)重新進(jìn)行了設(shè)計(jì)，也是我國(guó)首型使用兩個(gè)助推器的火箭。

CZ-3C火箭執(zhí)行了北斗二號(hào)GEO軌道衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

3.4 低溫運(yùn)載火箭分布式遠(yuǎn)距離測(cè)試發(fā)射控制技術(shù)

2007年，依托于北斗二號(hào)工程研制的CZ-3A系列火箭分布式遠(yuǎn)距離測(cè)試發(fā)射控制系統(tǒng)首次使用，適應(yīng)低溫火箭的特點(diǎn)，采用標(biāo)準(zhǔn)千兆以太網(wǎng)技術(shù)，通過(guò)架構(gòu)冗余、設(shè)備冗余、線路冗余、端口冗余等設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)高可靠、低延時(shí)的數(shù)據(jù)傳輸[4]。通過(guò)冗余網(wǎng)絡(luò)對(duì)分系統(tǒng)進(jìn)行管理和控制，達(dá)到集中控制、統(tǒng)一管理、信息資源共享的一體化目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)了全系統(tǒng)、全參數(shù)實(shí)時(shí)處理、發(fā)布、多點(diǎn)實(shí)時(shí)瀏覽監(jiān)測(cè)、具備自動(dòng)化指揮測(cè)試、無(wú)線信號(hào)光纖傳輸、無(wú)紙化網(wǎng)上判讀、網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)冗余設(shè)計(jì)和安全控制等功能，奠定了我國(guó)低溫運(yùn)載火箭遠(yuǎn)距離測(cè)發(fā)控系統(tǒng)的基礎(chǔ)。

3.5 其他技術(shù)發(fā)展

在北斗二號(hào)工程任務(wù)中，CZ-3A系列火箭開(kāi)始應(yīng)用雙慣組+GNSS組合導(dǎo)航技術(shù)，大大提高了火箭的飛行可靠性和入軌精度，在我國(guó)運(yùn)載火箭率先采用三模衛(wèi)星導(dǎo)航接收機(jī)，同時(shí)支持GPS、GLONASS和北斗二號(hào)衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，GTO軌道入軌精度的半長(zhǎng)軸偏差由幾十千米級(jí)提升到10千米級(jí)。

由于遠(yuǎn)洋測(cè)控船數(shù)量和布局的限制，發(fā)射GEO衛(wèi)星的運(yùn)載火箭在飛行時(shí)總存在一定的無(wú)線傳輸盲區(qū)，無(wú)法實(shí)時(shí)得到該時(shí)段火箭運(yùn)行的信息。利用中繼衛(wèi)星系統(tǒng)克服了這一缺陷，可實(shí)時(shí)獲得火箭全部飛行弧段的遙測(cè)數(shù)據(jù)。在北斗二號(hào)工程任務(wù)中，CZ-3A系列在我國(guó)運(yùn)載火箭中率先使用了天基測(cè)量技術(shù)，遙測(cè)數(shù)據(jù)通過(guò)中繼衛(wèi)星實(shí)時(shí)傳輸，極大降低了測(cè)控船的壓力，奠定了我國(guó)運(yùn)載火箭應(yīng)用天基測(cè)控技術(shù)的基礎(chǔ)[5]，有效保證了北斗工程高密度發(fā)射任務(wù)的順利實(shí)施。

4 北斗三號(hào)工程期間的技術(shù)發(fā)展

北斗三號(hào)系統(tǒng)是全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)，組網(wǎng)階段通過(guò)CZ-3B/YZ-1火箭的12次發(fā)射將24顆MEO衛(wèi)星直接發(fā)射入軌，通過(guò)CZ-3B/G3火箭的6次發(fā)射將3顆GEO衛(wèi)星、3顆IGSO衛(wèi)星一箭一星發(fā)射至GTO軌道。

依托于北斗三號(hào)衛(wèi)星工程建設(shè)，研制了我國(guó)第一型可搭配基礎(chǔ)級(jí)火箭將中高軌衛(wèi)星直接發(fā)射入軌的通用上面級(jí)，在2015年發(fā)射了北斗三號(hào)IGSO軌道試驗(yàn)星，推動(dòng)了直接入軌導(dǎo)航衛(wèi)星平臺(tái)的技術(shù)發(fā)展，使我國(guó)具備了星座快速組網(wǎng)的能力。

4.1 CZ-3B/YZ-1、CZ-3C/YZ-1火箭

根據(jù)北斗三號(hào)工程MEO衛(wèi)星發(fā)射需求，研制了CZ-3B/YZ-1火箭和CZ-3C/YZ-1火箭，由基礎(chǔ)級(jí)火箭和上面級(jí)組成。利用CZ-3B火箭將YZ-1上面級(jí)和兩顆衛(wèi)星一起送入MTO軌道，或者CZ-3C火箭將YZ-1上面級(jí)和一顆衛(wèi)星一起送入MTO軌道，YZ-1上面級(jí)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間滑行后在遠(yuǎn)地點(diǎn)附近變軌將衛(wèi)星直接送入MEO軌道[6]。并聯(lián)雙星發(fā)射結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4 CZ-3B/YZ-1并聯(lián)雙星發(fā)射結(jié)構(gòu)Fig.4 Structure of parallel duo-satellites of LM-3B/YZ-1 launch vehicle

4.2 YZ-1上面級(jí)

YZ-1上面級(jí)以滿足與3.35 m系列運(yùn)載火箭組合一箭雙星直接入軌發(fā)射北斗三號(hào)MEO衛(wèi)星任務(wù)為目標(biāo),兼顧IGSO直接入軌任務(wù)為目標(biāo)，可實(shí)現(xiàn)多次起動(dòng)，能夠直接將衛(wèi)星送入MEO、IGSO等中高軌道，具備快速軌道機(jī)動(dòng)、多星發(fā)射能力的上面級(jí)，是我國(guó)首個(gè)能夠直接入軌發(fā)射中高軌航天器的通用上面級(jí)。

YZ-1上面級(jí)任務(wù)性質(zhì)介于運(yùn)載器與航天器之間，兼具運(yùn)載器與航天器的技術(shù)特點(diǎn)；工作時(shí)間長(zhǎng)于運(yùn)載火箭的幾十分鐘，增長(zhǎng)至6.5 h，經(jīng)歷與航天器相近的空間環(huán)境；以自主導(dǎo)航為主，地面測(cè)控方式為輔；發(fā)動(dòng)機(jī)可多次起動(dòng)，任務(wù)適應(yīng)性強(qiáng)；采用大推力發(fā)動(dòng)機(jī)，軌道機(jī)動(dòng)能力強(qiáng)；具備獨(dú)立的電氣系統(tǒng)，使用靈活性、通用性強(qiáng)。

YZ-1上面級(jí)由箭體結(jié)構(gòu)、動(dòng)力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)、熱控系統(tǒng)、衛(wèi)星供電系統(tǒng)組成。采用直筒段儀器艙儀器內(nèi)裝結(jié)構(gòu)方案，控制系統(tǒng)采用1553B總線、單機(jī)表(板)級(jí)冗余方案實(shí)現(xiàn)上面級(jí)飛行過(guò)程中的控制；采用統(tǒng)一供配電方案為控制、測(cè)量、熱控系統(tǒng)供電；測(cè)量系統(tǒng)采用非相干測(cè)量體制、Turbo編碼實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離、高碼率的測(cè)量和測(cè)軌功能，具備上行指令和數(shù)據(jù)進(jìn)行彈道重規(guī)劃能力[7]；采用以被動(dòng)熱控為主、主動(dòng)電加熱熱控為輔實(shí)現(xiàn)飛行過(guò)程中的熱環(huán)境控制。

目前，YZ-1通用上面級(jí)還與CZ-2C火箭搭配執(zhí)行SSO軌道衛(wèi)星任務(wù)，有效提高了CZ-2C火箭的運(yùn)載能力。后續(xù)還將與CZ-2F、CZ-7火箭等搭配，可以為用戶提供不同軌道高度、不同入軌質(zhì)量的發(fā)射服務(wù)。

4.3 其他技術(shù)發(fā)展

依托于我國(guó)北斗導(dǎo)航衛(wèi)星特有的短報(bào)文功能，開(kāi)展了助推器殘骸落點(diǎn)精準(zhǔn)定位技術(shù)研究，將之前短則幾小時(shí)、長(zhǎng)則大半月的殘骸定位工作時(shí)間縮短到30 min之內(nèi)，獲得了溫度、姿態(tài)、過(guò)載和圖像等大量數(shù)據(jù)，為后續(xù)傘降落區(qū)控制奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

在北斗三號(hào)工程的建設(shè)過(guò)程中，CZ-3A系列火箭開(kāi)展了統(tǒng)一構(gòu)型和去任務(wù)化的工作。對(duì)CZ-3B和CZ-3C火箭各種構(gòu)型進(jìn)行了統(tǒng)一，大幅提高了產(chǎn)品生產(chǎn)效率、技術(shù)狀態(tài)控制和產(chǎn)品過(guò)程質(zhì)量控制能力，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭真正意義的組批投產(chǎn)?！叭ト蝿?wù)化”將發(fā)次代號(hào)與具體任務(wù)載荷名稱脫鉤，實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭部段級(jí)總裝、整箭級(jí)測(cè)試、任務(wù)級(jí)替換，解決了以往發(fā)射任務(wù)推遲后，同時(shí)存在的已制品長(zhǎng)期貯存和新產(chǎn)品進(jìn)度緊張的問(wèn)題[8-9]。

5 北斗工程發(fā)射任務(wù)分析

北斗工程對(duì)運(yùn)載火箭提出了一型火箭多軌道面組網(wǎng)發(fā)射的要求，需要CZ-3A系列火箭具備高、中軌道高度，東射向、東南射向多方向的發(fā)射能力。為確保衛(wèi)星組網(wǎng)速度，降低工程建設(shè)成本，在北斗二號(hào)工程任務(wù)期間研制了CZ-3B/G1構(gòu)型火箭，突破了外支撐串聯(lián)雙星發(fā)射技術(shù)；在北斗三號(hào)工程任務(wù)期間研制了CZ-3B/YZ-1構(gòu)型火箭，突破了并聯(lián)雙星中軌道MEO直接發(fā)射入軌技術(shù)。在火箭結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、分離技術(shù)、環(huán)境控制等方面取得了重大技術(shù)突破，對(duì)其他新型火箭的研制也有重要的借鑒意義。

CZ-3A系列火箭發(fā)射北斗衛(wèi)星任務(wù)統(tǒng)計(jì)情況如表2所示，通過(guò)44發(fā)火箭完成了北斗全部三期工程的發(fā)射任務(wù)，發(fā)射成功率達(dá)到100%，經(jīng)過(guò)定量評(píng)估，CZ-3A系列火箭的飛行可靠度超過(guò)了0.95(置信度0.7)，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。2000年1月—2020年7月，CZ-3A系列火箭共執(zhí)行了104次發(fā)射任務(wù)，北斗工程發(fā)射任務(wù)占比超過(guò)了40%。發(fā)射北斗工程任務(wù)分年統(tǒng)計(jì)情況如圖5所示，在型號(hào)高密度發(fā)射任務(wù)期間，北斗工程發(fā)射任務(wù)年度占比一般會(huì)達(dá)到30%～40%，其中2018年超過(guò)了70%。

表2 CZ-3A系列火箭發(fā)射北斗衛(wèi)星任務(wù)統(tǒng)計(jì)

圖5 CZ-3A系列火箭發(fā)射北斗工程任務(wù)分年統(tǒng)計(jì)Fig.5 Annual launches of LM-3A series for Beidou mission

6 未來(lái)展望

CZ-3A系列火箭為20世紀(jì)80年代啟動(dòng)研制的火箭，通過(guò)持續(xù)不斷的技術(shù)創(chuàng)新和可靠性成果的工程應(yīng)用，成為國(guó)內(nèi)首個(gè)實(shí)現(xiàn)系列化、通用化、組合化的火箭，綜合技術(shù)性能已經(jīng)達(dá)到了國(guó)內(nèi)和國(guó)際先進(jìn)的水平。

后續(xù)火箭將繼續(xù)提高可靠性、安全性和任務(wù)的適應(yīng)能力，主要包括：

(1)提高可靠性和安全性

受限于20世紀(jì)80年代的技術(shù)水平，CZ-3A系列火箭大量采用了非鈍感火工品，雖然經(jīng)過(guò)了上百次的飛行驗(yàn)證，但在可靠性安全性上還有提升的空間。后續(xù)將換用新一代火箭研制的鈍感火工品，提高運(yùn)輸、測(cè)試、發(fā)射飛行過(guò)程中的抗電磁干擾能力；持續(xù)推進(jìn)助推器傘降落區(qū)控制技術(shù)的研制，設(shè)置合理可行的安全目標(biāo)落點(diǎn)，落區(qū)面積減至原來(lái)的10%；持續(xù)開(kāi)展發(fā)射場(chǎng)流程優(yōu)化，在高密度發(fā)射的情況下，繼續(xù)對(duì)發(fā)射場(chǎng)工作流程進(jìn)行優(yōu)化，提高發(fā)射流程自動(dòng)化程度，降低射前前端人員總工時(shí)[10]。

(2)提高任務(wù)的適應(yīng)能力

依托于北斗三號(hào)工程，研制了CZ-3B/YZ-1和CZ-3C/YZ-1兩型四級(jí)火箭，使得火箭具備了中高軌道直接發(fā)射入軌的能力，進(jìn)一步拓寬了火箭的任務(wù)適應(yīng)能力，未來(lái)將在中高軌科學(xué)探測(cè)、深空探測(cè)、軌道轉(zhuǎn)移、空間碎片清理和新技術(shù)驗(yàn)證等領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。北斗工程高密度發(fā)射任務(wù)下技術(shù)狀態(tài)、工藝狀態(tài)固化，產(chǎn)品生產(chǎn)的一致性較好，為滿足衛(wèi)星用戶的需求，對(duì)電氣系統(tǒng)進(jìn)行改進(jìn)，運(yùn)載能力進(jìn)一步挖潛，實(shí)現(xiàn)小幅提升。持續(xù)開(kāi)展火箭去任務(wù)化工作，在助推器、一二級(jí)產(chǎn)品統(tǒng)一構(gòu)型的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)全透波整流罩和儀器艙的構(gòu)型統(tǒng)一。開(kāi)展基于慣組信息的主動(dòng)減載技術(shù)、主動(dòng)段全導(dǎo)引控制技術(shù)和迭代制導(dǎo)技術(shù)研究，針對(duì)主發(fā)動(dòng)機(jī)、末修和姿控發(fā)動(dòng)機(jī)典型的故障工況，開(kāi)展故障檢測(cè)和發(fā)射軌道重構(gòu)技術(shù)研究，提高飛行故障狀態(tài)下的任務(wù)適應(yīng)能力。推廣應(yīng)用無(wú)線傳感系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)獲取能力的快速配置。