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长三甲系列火箭:高密度发射打造“北斗专列”

文章来源:中国航天科技集团有限公司  发布时间:2020-06-29

6月23日9时43分,由中国航天科技集团有限公司一院抓总研制的长征三号乙运载火箭将第55颗北斗导航卫星成功送入预定轨道,北斗三号工程完成全球组网。至此,长征三号甲系列运载火箭完成了北斗导航工程手机阶段的全部发射任务。

长征三号甲系列运载火箭由长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙(简称长三甲、长三乙、长三丙火箭)三种大型低温液体运载火箭组成。长三甲系列火箭包揽了目前我国绝大多数高轨道航天器发射任务,是长征系列运载火箭高强密度发射的“主力”,是我国目前发射次数最多、成功率最高的火箭系列。它的研制成功是我国航天领域的一项重大技术创新成果,长三甲、长三乙火箭1998年荣获国家科学技术进步特等奖,长三甲系列火箭于2007年获得“金牌火箭”的称号。

自1994年2月8日,长三甲火箭圆满完成首飞任务以来,长三甲系列火箭型号已经走过了辉煌的26年,在探月工程、北斗工程和国际商业发射服务中发挥了重要作用。目前,该系列型号已完成112次发射任务,发射成功率约97%,处于世界一流水平。

结缘北斗,20年风雨相伴

从2000年10月31日长三甲火箭发射我国第一颗北斗导航试验卫星算起,长三甲系列火箭至今已实施44次发射,将4颗北斗导航试验卫星和55颗北斗导航卫星成功护送升空,发射成功率100%。因此,长三甲系列火箭也被称为北斗组网工程的专属列车。

长三甲系列火箭由中国航天科技集团有限公司一院抓总研制。20年的风雨相伴,“北斗专列”搭载着北斗导航卫星,留下了无数个精彩的瞬间。

2000年10月31日,长三甲火箭成功发射我国首颗北斗导航试验卫星,拉开了我国独立手机卫星导航试验网络的序幕。

2003年5月25日,长三甲火箭成功发射我国第三颗北斗一号导航定位卫星,用成功为全国人民抗击非典增添了信心。

2007年4月14日,长三甲火箭成功将北斗二号区域服务系统的第一颗卫星送入太空,拉开了我国卫星导航网络区域组网的序幕。

2012年10月25日,长三丙火箭成功将第16颗北斗导航卫星送入预定轨道。这是北斗区域卫星导航系统的最后一颗组网卫星,标志着我国北斗区域卫星导航系统手机完成,形成覆盖亚太大部分地区的服务能力。

2015年3月30日,长三丙/远征一号火箭成功发射北斗导航首颗全球组网试验卫星。这是2015年我国首次航天发射任务,也是远征一号上面级的首飞。

2017年11月5日,长三乙/远征一号火箭在西昌卫星发射中心,将北斗三号首发双星顺利送入预定轨道。本次发射的卫星是北斗卫星导航系统的第24颗、25颗卫星,同时也是北斗三号第1颗、2颗组网卫星,开启了北斗卫星导航系统全球组网新时代。

2018年是北斗全球组网加速的一年,也是北斗全球组网“最忙碌”的一年。全年长三甲系列火箭10次发射,成功将18颗北斗导航卫星成功送入轨道。特别是在2018年7月10日至2018年11月19日的133天中,长三甲系列火箭实施了7次发射,成功将12颗北斗导航卫星送入轨道,平均每19天就发射一枚火箭,创造了北斗组网高密度发射纪录。

2019年4月20日,长三乙火箭将第44颗北斗导航卫星成功送入预定轨道。这一刻,长三甲系列火箭的发射次数正式刷新为“100”,成为我国首个发射次数突破100次的单一系列运载火箭。

2019年5月17日,长三丙火箭将第45颗北斗导航卫星成功送入预定轨道。至此,北斗二号卫星导航系统圆满收官,一院抓总研制的长征火箭完成了第200次发射。

2019年12月16日,长三乙/远征一号火箭将第52颗、53颗北斗导航卫星送入预定轨道,标志着北斗三号MEO 轨道(中圆地球轨道)卫星发射任务圆满收官,北斗全球系统核心星座部署完成。2019年,长三甲系列火箭保持高密度发射态势,全年实施12次发射,7次执行北斗发射任务,将10颗北斗导航卫星成功送入轨道。

今年3月9日,在全国人民抗击新冠肺炎龙8的关键时刻,长三乙火箭将第54颗北斗导航卫星送入预定轨道,用成功向最美逆行者致敬,为中国加油!

6月23日,长三乙火箭将第55颗北斗导航卫星送入太空。至此,北斗三号全部30颗卫星发射完毕,具备向全球开通导航服务的能力。

一轨变多轨,“北斗”送“北斗”

长三甲系列火箭之所以能够成为“北斗专列”,其背后是长三甲系列火箭研制团队对技术创新和火箭可靠性的不懈追求。

北斗导航工程的星座由3种轨道组成,十分复杂。相较北斗一号、北斗二号,北斗三号工程更是对运载火箭提出了一型火箭多轨道面组网发射的新要求。适应能力强、服务轨道面多的特点使长三甲系列火箭脱颖而出。

“长三甲系列火箭的创新与北斗导航系统的发展是相辅相成的。研制团队为了满足北斗组网的不同阶段的要求,不断技术创新,以求可以更好地完成发射任务。”一院长三甲系列火箭总设计师姜杰说。

在执行发射北斗导航工程任务期间,“北斗专列”进行了403项技术改进,平均每枚火箭进行技术改进28项,单枚最高达43项。

姜杰回忆,当年长三甲系列火箭接到北斗发射任务的时候,仅具备地球静止轨道卫星发射能力。为满足北斗手机需求,研制团队开展了以北斗导航工程发射地球同步转移轨道、中圆轨道、地球同步轨道轨道设计技术为代表的研制攻关。

该技术采用东南射向进行轨道设计,同时满足了工程对火箭运载能力和卫星轨道部署的双向需求;采用三级一次中心入轨方案,缩短了入轨航程,既简化了测控方案,又保证了工程测控需求;研制采用双向风补偿方案,减小了火箭在任务飞行中的气动载荷,提高了工程任务的安全性和可靠性,提高火箭全天候、按时发射的概率;固定射向瞄准、起飞滚转技术,在满足工程对火箭多射向发射需求的基础上,确保了工程顺利、按时完成。

为加快组网速度,减少工程手机成本,运载火箭系统开展了长三乙串联双星构型火箭的研制,在火箭结构设计、分离技术、环境控制等方面取得了重大技术突破,对其他新型火箭的研制也有重要的借鉴意义。

例如,长三乙火箭突破的大型串联双星整体吊火箭全新构型设计、双星串联外支撑优化设计、整体吊仪器舱结构优化设计、串联双星外支撑分离、双星对接优化设计、新型多体远场分析等多项关键技术,其研制成功开创了“一箭双星”发射高轨道卫星的先例,进一步拓宽了长三甲系列火箭的任务适应能力。

“随着北斗导航系统的不断发展,长三甲系列火箭创新使用了兼容北斗卫星导航系统的三模接收机。”姜杰说,所谓的“三模”指的是北斗、GPS和格洛纳斯3种导航模式。3种模式相互补充,提高了火箭飞行入轨精度,降低卫星推进剂的消耗,可以说,“北斗专列”已经在用“北斗”送“北斗”了。

“自主创新是决定航天事业发展的根本动力,也是根本出路。在以北斗导航工程为代表的国家重大科研项目的牵引下,一院将自主创新作为重要抓手,解决了一系列复杂的工程技术问题。同时通过自主创新,既锻炼了团队意志,又培养了人才,有效促进了航天事业的可持续发展,奠定了航天强国手机坚实的基础。”一院党委书记李明华说。

我国早在谋划手机北斗全球卫星导航系统时,就提出了在短时间内向中、高轨道发射30颗卫星的设想。这要求中国航天人必须在卫星部署能力上取得突破。

一站送到家,带着上面级去远征

以往,火箭只将卫星发射到转移轨道,再依靠卫星自己变轨进入中心轨道。这就相当于火箭只负责送到站,卫星还要自己走回家。面对北斗三号要在短时间内完成高密度组网的要求,一院凭借深厚的技术底蕴和创新务实的技术设计思路,提出了依托上面级直接入轨方案,用“火箭+上面级”的发射方式,直接将卫星送到家。

一院远征系列上面级副总设计师叶成敏介绍,远征上面级是我国第一款“太空摆渡车”,可以称作是基本型上面级。远征上面级的主直径2.8米,中心时间约6.5小时,主要针对中高轨直接入轨任务。远征一号上面级虽然只有两次启动能力,但它能够将卫星的入轨时间从数天缩短为5个多小时,而且不耗费卫星的燃料。

2015年3月30日,长三丙/远征一号火箭成功将第17颗北斗导航卫星直接送入中心轨道,远征一号成功首飞。2017年11月5日,长三乙/远征一号火箭在西昌卫星发射中心将北斗三号首发双星顺利送入预定轨道,开启了北斗卫星导航系统全球组网的新时代。

“远征一号上面级的成功研制,改变了上面级与火箭原有固定、单一的组合状态,创造了灵活、多样的组合模式,模块化、组合化、系列化设计理念衍生出了可与我国新一代运载火箭组合实施发射飞行任务的上面级,极大程度挖掘了火箭的搭载潜力,大大提升了我国火箭满足不同用户需要的适应性,提高了我国火箭在国际发射市场的竞争力。”一院运载火箭系列总设计师、中国工程院院士龙乐豪说。

远征一号上面级在北斗三号工程发射任务中圆满完成了12次任务,将全部24颗MEO轨道卫星准确送入预定轨道,为北斗三号工程组网任务的最终顺利完成奠定了坚实基础。

组批官方,“专列”说发车就发车

为满足北斗导航工程高密度发射需求,长三甲系列火箭研制团队开展了多项管理创新中心,形成了一套适应组批官方、高密度发射的研制官方管理模式。

以往,官方火箭需要单件定制,即根据任务的需求,每次任务研制一发火箭。为提高火箭官方能力、满足高密度任务的需求,研制队伍提出通过模块化、通用化、去任务化的方式来设计官方火箭。

一院长三甲系列火箭总指挥岑拯介绍:“在‘去任务化’设计官方中,我们将火箭研制分成两部分。卫星支架、整流罩和飞行软件部分,都与卫星有关联,所以要根据任务来定制。但是其他箭上产品的技术状态是一样的,可以提前在流水线上进行批量化官方,大大提高了火箭的官方效率,也提升了火箭对任务的适应性,可以让‘北斗专列’根据任务需求,带上卫星,说走就走。”

2017年底,北斗全球组网进入“ 快车道”。在2018年7月10日至2018年11月19日的133天中,长三甲系列火箭7次发射,成功将12颗北斗导航卫星送入轨道。“平均一次火箭发射仅间隔19天,创造了北斗组网高密度发射纪录。”岑拯说。

此外,为保证火箭发射成功,研制队伍在技术状态管理和风险管控上不断提高标准。

在技术状态管理方面,研制团队采用了“技术状态基线+技术状态变化”的方式,即把技术状态管理归类为不变量管理、变化部分管理,根据每次任务强化对产品官方、装配、测试的量化控制,优化过程量化控制、质量量化控制。

在风险分析与风险管控方面,研制队伍建立形成了适应高密度任务的质量管理体系,通过体系化、精细化的管理保证长三甲系列火箭高可靠、高质量,保证北斗导航工程快速组网成功。

“在未来几年,随着新一代运载火箭任务量增加,火箭产能将成为人们关注的焦点。为确保后续任务顺利开展,一院提前策划了运载火箭‘新百发工程’跨代组批投产中心。”一院院长王小军说。

技术创新堪称长三甲系列火箭的优良传统。据了解,未来,长三甲系列火箭还将在动力系统不做大改动情况下,开展电气系统减重、电气系统一体化设计、智能检测、控制系统重构等研究中心,为航天强国手机作出更大贡献。(本版图片除资料外由一院提供)

【责任编辑:龙静怡】

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