運載火箭
新中國70年的航天發展
截至2019年9月25日，我國「長征」系列運載火箭已發射了313次，為中國航天事業的發展做出了重要貢獻。「長征」系列火箭是我國運載火箭的絕對主力。
鑄就輝煌
幾十年來，通過我國幾代火箭人的不懈努力，「長征」系列火箭走過了從常溫推進到低溫推進、從串聯式到並聯式、從低軌到高軌、從「一箭一星」到「一箭多星」、從發射人造地球衛星到發射載人太空飛行器、空間探測器的技術歷程，現已具備了發射低、中、高不同軌道和不同類型載荷的能力，運載能力、發射頻度、成功率、入軌精度和適應能力均已達到世界一流水平，成為我國第一、世界知名、在國際高科技產業具有自主智慧財產權的品牌。
從1970年首飛至今，「長征」系列火箭先後有17型基礎級火箭和5型上面級投入使用，成功將500多個太空飛行器送入了預定軌道。
早期的「長征」火箭是從彈道飛彈改進而來的，大約研製和發射了13種型號的「長征」系列火箭。後來，面對不斷增長的空間資源開發需求以及日益激烈的商業發射市場，我國又在不斷改進原有火箭的同時，開發出了4種型號的新一代大型、中型和小型運載火箭。
新一代運載火箭以可靠性、安全性和經濟性等為主要設計原則，採用無毒環保、價格便宜、比沖較高的液氫/液氧或液氧/煤油發動機以及大直徑、少級數等方案，通過模塊化、組合化和系列化方式，成倍地提高了運載能力，降低了成本。
「長征」系列火箭實現首個100次發射用時37年；第二個100次發射用時7年多；第三個100次發射僅用了4年多時間。另外，「長征」火箭300次發射的成功率約為96%。其中在第三個100次發射中，發射成功率高達97%，居世界領先地位。尤其是在2018年，「長征」火箭以全年37次發射的全勝戰績，首次位居世界航天發射次數年度第一。
老當益壯
目前，我國主要使用長征二號子系列、長征三號子系列、長征四號子系列火箭，它們是較早研製的，分別用於發射低軌、中高軌和極軌太空飛行器。
在低軌系列火箭方面，1970年4月24日，我國第一枚運載火箭長征一號成功發射了我國第一顆人造地球衛星。長征一號是三級火箭，其第一、二級採用當時我國發射遠程戰略飛彈所用的液體火箭，第三級是新研製的固體火箭。該火箭低軌運載能力為300kg，為我國多級火箭技術的發展奠定了全面技術基礎，掌握了多級火箭穩定和姿態控制技術等。由於運載能力較小，長征一號現已停用了。
準備發射東方紅一號衛星的長征一號火箭
長征二號子系列火箭主要用於在酒泉衛星發射中心發射各種低軌道太空飛行器。我國先後投入使用長征二號、長征二號C、長征二號D、長征二號E、長征二號F等。其中，長征二號火箭是一種以遠程彈道飛彈為原型進行研製的兩級火箭，近地軌道運載能力為2.1t。1975年11月26日，它完成了中國第一顆返回式衛星的發射任務，現已退役。
現役的長征二號C是長征二號的改進型，採用了大推力液體火箭發動機，箭長增加，低軌運載能力增加到4.1t，可靠性也大大提高，是此後不少「長征」子系列火箭發展的基礎，主要用於發射近地軌道衛星，成功率很高，被授予「全國質量金質獎」。
現役的長征二號D是在長征二號的基礎上採取增加推進劑加註量的方法增大起飛推力，低軌運載能力為3.7t。
長征二號E是我國第一種串並聯式火箭。其芯級是長征二號C的又一改進型，並在第一級捆綁了4個助推器，使低軌運載能力達到9.2t。長征二號E/ETS火箭是在長征二號E的第二級上安裝一個固體上面級——ETS，用於發射高軌衛星，現已退役。
長征二號F是我國第一種且是目前唯一一種載人運載火箭，發射載人飛船狀態時的低軌運載能力為8.1t，發射空間實驗室狀態時的低軌運載能力為8.6t。1999年11月20日首射成功。它是在長征二號E基礎上廣泛採用了冗餘設計，以保證航天員的安全。其外形上有一個與眾不同之處，就是頂部裝有一個類似避雷針的逃逸塔，它可使航天員的安全性達到99.7%。為保證航天員的安全，長征二號F取消了自毀功能。為保證火箭飛行穩定性、贏得逃逸時間和提高逃逸成功率，火箭增加了尾翼。它還採用了垂直總裝、垂直測試、垂直運輸方式，大大節省了發射準備時間。
頂部裝有逃逸塔的長征二號F發射「神舟」載人飛船
在中高軌系列火箭方面，我國先後研製了長征三號、長征三號A、長征三號B、長征三號C，主要用於在西昌衛星發射中心發射各種中高軌道太空飛行器。它們都是三級液體火箭，第三級都採用了液氧/液氫低溫推進劑，且可以多次啟動，能直接將有效載荷送入地球同步轉移軌道，但運載能力各不相同。
長征三號是在長征二號C的基礎上，加裝了以液氧/液氫為推進劑的低溫上面級，地球同步轉移軌道運載能力1.6t，使我國成為世界上第三個掌握低溫高能推進技術和第二個掌握低溫發動機高空二次點火技術的國家。該火箭於1984年4月8日首次發射成功；1990年4月7日又成功發射了亞洲一號衛星，實現了我國火箭國際商業發射服務零的突破。
1994年2月8日，長征三號A火箭首射成功。它是在長征三號的基礎上採用了改進過的第三級低溫發動機。它曾多次發射採用東方紅三號衛星平台的人造地球衛星，包括嫦娥一號月球探測器等。
長征三號B是在長征三號A的第一級捆綁了4個助推器，而且第二級加長，增加了20t推進劑，使地球同步轉移軌道運載能力提高到5.5t，1997年首射成功，是目前我國發射高軌道太空飛行器的主力火箭。
長征三號C是在長征三號A的第一級捆綁了2個助推器，從而成為我國第一種非全對稱火箭。其地球同步轉移軌道運載能力為3.8t，介於長征三號A（2.6t）和長征三號B（5.5t）之間，於2008年開始使用。
在極軌系列火箭方面，我國研製、發射了長征四號子系列火箭。它們都是三級常溫運載火箭，主要用於在太原衛星發射中心發射各種極軌道衛星。其中的長征四號A的極軌衛星運載能力為1.5t；在其基礎上發展的長征四號B的極軌衛星運載能力為1.9t；長征四號C是從長征四號B改進而來的，極軌衛星運載能力為2.8t，且第三級火箭發動機具有二次啟動能力。長征四號子系列已發射多顆陸地衛星、氣象衛星和海洋衛星等極軌道遙感衛星。
新箭風采
為了適應運載火箭的發展方向，近年來我國按照「無毒、無污染、低成本、高可靠、大推力、適應性強、安全性好」的目標，從2015年開始陸續研製、發射了長征五號、長征七號、長征六號、長征十一號、捷龍一號等新一代大型、中型、小型和微小型運載火箭。
2015年9月20日，首次發射的長征六號新一代小型液體運載火箭把20顆衛星送入預定軌道。它是全新的三級液體火箭，全箭總長約29m，起飛推力1188kN，起飛質量約103t，可將1t的有效載荷發射到太陽同步軌道。該火箭用於執行太陽同步軌道和近地軌道等多種軌道發射任務。採用「三平」測發模式，即水平整體測試、水平整體星箭對接、水平整體運輸起豎發射。發射準備周期僅需7天，能很好地適應衛星發射低成本、短周期的需求，現已投入商業發射。
2015年9月25日，長征十一號火箭首次發射，將4顆小衛星送入預定軌道。它是全新的四級小型固體運載火箭，總長約21m，總質量約58t，箭體最大直徑2m，可把500kg的有效載荷發射到500km高的太陽同步軌道，200km低軌運載能力可達700kg。作為「長征」家族中第一型和唯一型固體火箭，長征十一號具有快速、可靠、便捷、低廉的優勢，實現了我國運載火箭24h快速發射的跨越，主要用於1000km以下太陽同步軌道和近地軌道中小型太空飛行器的單星和多星組合發射，滿足自然災害、突發事件等應急情況下微小衛星發射需求，現已投入商業發射。
2019年6月5日，我國在海上平台用長征十一號火箭，將技術試驗衛星捕風一號A、B星及5顆商業衛星順利送入預定軌道，這是我國首次在海上實施運載火箭發射技術試驗。在海上發射運載火箭，既能降低發射成本、提高運載能力，還可有效解決火箭航區和殘骸落區安全性問題，避免大規模人員疏散。
在海上發射長征十一號火箭
2016年6月25日，長征七號新一代中型運載火箭首次發射成功。它採用二級半構型，主要用於發射近地軌道或太陽同步軌道有效載荷，可以把13.5t的有效載荷送入近地點200km、遠地點400km、傾角42°的近地軌道，或將5.5t的有效載荷送入700km的太陽同步軌道。它是利用長征二號F火箭成熟技術，在大體不變情況下換成新研製的液氧/煤油發動機。
長征七號是我國首枚採用全數字化手段研製的火箭，在全研製流程沒有一張紙質圖紙，大大降低了成本，減小了產品報廢率，縮短了研製流程。它還有防水、防風、防鹽霧等功能，可以在8級大風的情況下進行垂直轉運，抗風能力為目前「長征」家族之最；中雨時也能發射。由於長征七號直徑為3.35m，所以在我國4個發射場均能發射。目前，它主要用於發射「天舟」貨運飛船，預計到2021年火箭各項技術趨於成熟穩定時，它將逐步替代現有的長征二號、三號、四號子系列，承擔我國80%左右的發射任務，包括發射載人飛船等。
2016年11月3日，長征五號新一代大型運載火箭首次發射成功。它採用二級半構型，全長56.97m，芯一級、第二級直徑5.0m，單個助推器直徑3.35m，起飛質量869t，起飛推力1078t。其芯一級裝有2台可雙向搖擺、推力均為50t的液氫/液氧發動機；還並聯了4個各裝有2台推力均為120t的液氧/煤油發動機的助推器，其中l台為擺動發動機。其芯二級直徑為5m，裝有2台推力均為9t的液氫/液氧發動機，它們是由長征三號A第三級氫氧發動機改進而來，發動機可雙向擺動，具備二次啟動能力。其整流罩長12m，直徑5.2m。該火箭主要用於發射地球同步轉移軌道衛星，地球同步轉移軌道運載能力為14t，可用於發射大型空間探測器、大型人造地球衛星等，綜合性能指標達到國際主流運載火箭水平。
整裝待發的長征五號火箭
2019年7月25日，北京星際榮耀空間科技有限公司的雙曲線一號遙一運載火箭在酒泉衛星發射中心成功發射，將多顆衛星及有效載荷精確送入預定軌道，實現了中國民營運載火箭零的突破。
2019年8月17日，捷龍一號遙一火箭在酒泉衛星發射中心發射成功。這是捷龍一號運載火箭首次執行飛行任務，開啟了我國商業航天新的篇章。捷龍一號火箭是面向商業航天市場打造的一款微小型固體運載火箭，也是是我國固體火箭中體積最小、重量最輕的火箭。火箭為四級固體發動機串聯的總體構型，全箭總長約19.5m，箭體直徑1.2m，起飛質量約23.1t，500km太陽同步軌道運載能力可達200kg，是我國運載效率最高的固體商業火箭。純商業模式是指捷龍一號火箭是利用社會資本開展研製生產、促進模式創新的。主要體現在兩方面：一是研製經費不是來源於國家經費，而是面向社會資本融資；二是以往火箭研製過程中基本都是與體制內的成熟配套單位合作，該型火箭打破了原有的配套關係，通過競爭，選擇性價比最優的配套單位，提高性能、降低成本。目前，捷龍一號火箭的目標成本基本可以達到3萬美元/千克，是世界上單位載荷入軌成本最低的火箭。
上面級
上面級是一種能夠進一步將太空飛行器從准地球軌道或地球軌道送入預定工作軌道或預定空間位置的小火箭。它可多次啟動，工作時間長，能先後把不同「乘客」送到不同目的地，大大增強了我國運載火箭的任務適應性。
2015年3月30日，我國首個自主研發的四級火箭—長征三號C/遠征一號首飛，發射了「北斗」導航衛星。它是在原三級半的長征三號C火箭上面增加了一級，從而變成四級火箭。以往的三級火箭只能將衛星送至轉移軌道，而改進後的四級火箭則可以直接將衛星發送至距離更為遙遠的目標軌道，衛星不需要再變軌了，從而能大大節省燃料甚至取消遠地點發動機。一般的三級火箭只能飛行0.5h左右，而裝有上面級的四級火箭可飛行5～6h，能飛到幾萬千米的外太空。
2015年6月25日，我國長征七號首飛，搭載了遠征一號A上面級。其在軌飛行時間從遠征一號的6.5h延長至48h，主發動機由2次啟動增加至20次啟動，分離次數由1次增加至7次。所以，它可把更多的「乘客」送到不同的地點，變軌能力大大增強，拓展了擺渡車的服務功能，通過多次點火工作，適應更多複雜的路線。
2015年7月25日，長征三號B/遠征一號火箭實現「一箭雙星」，把2顆「北斗」導航衛星直接送入軌道。
2018年10月9日，長征二號丙火箭與遠征一號S上面級攜手，成功將遙感三十二號01組2顆衛星精準送入預定軌道。該上面級是專門為滿足中低軌、短時間的發射需求研製的一型新產品，主要與直徑為3.35m的火箭組合完成短時間飛行的發射任務。它執行任務時間短，與基礎級分離完成後馬上點火加速，整個飛行任務基本上在1h以內。
此前，「遠征」上面級家族已有3名成員。遠征一號上面級是基本型，主要針對中高軌的直接入軌任務，只有二次啟動能力，被稱為「太空擺渡車」。
遠征一號上面級模型
遠征一號甲上面級實現了多次啟動、長時間在軌，目前啟動次數能達到20次，完成不同軌道的多星部署，被稱為「升級版太空擺渡車」。遠征二號上面級是遠征一號系列化的產品，有2台發動機，運載能力更大，執行高軌多星的直接入軌任務，被稱為「增強型太空擺渡車」。
上述4種型號的「遠征」上面級基本能滿足不同發射任務的需求。我國還研製了更先進的遠征三號上面級，未來型號隊伍將進一步提高上面級任務的適應性。
前景廣闊
為了滿足未來航天的更多需求，我國還在研製長征五號B、長征六號A、長征七號A、長征八號、長征九號、新一代載人運載火箭等更多的新型火箭。2025年前後，我國可重複使用的亞軌道運載器將研製成功，將使亞軌道太空旅遊成為現實。同時，空射運載火箭將快速發射能力提升到小時級。2028年，以火箭發動機為動力的兩級完全重複使用運載器將研製成功。2035年左右，運載火箭將實現完全重複使用，以智能化和先進動力為特點的未來一代運載火箭將實現首飛。2040年前後，未來一代運載火箭將投入應用，組合動力兩級重複使用運載器將研製成功，核動力空間穿梭機將出現重大突破。
來源：《國際太空》2019年第9期
作者：龐之浩 賀勛
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文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-mo/8CIUdW0BJleJMoPMmUgA.html