导弹与航天运载技术
MISSILES AND SPACE VEHICLES
1999年 第4期 No.4 1999



CZ-3A系列运载火箭(续)
龙乐豪
　　摘要　 CZ-3A系列运载火箭，是指由长征三号甲（CZ-3A）及其发展型长征三号乙（CZ-3B) 和长征三号丙（CZ-3C）3种火箭组成的大型火箭群体。主要用于发射地球同步转移轨道（GTO ）有效载荷，也可用于近地轨道（LEO）、太阳同步轨道（SSO ）以及飞往月球与火星等深空探测有效载荷的发射。该系列火箭是目前中国运载能力最大的系列火箭，也是中国跨世纪的商业应用发射的大型主力火箭。
　　主题词　重型运载火箭,商用运载火箭，+ CZ-3A,+ CZ-3B,+ CZ-3C。
LM-3A Launch Vehicle Series
Long Lehao
(China Academy of Launch Vehicle Technology,Beijing,100076)
　　Abstract　LM-3A launch vehicle series is a large rocket group, which consists of LM-3A,its evolution rockets, LM-3B and LM-3C. It is mainly used to launch GTO payload. The LEO payload, SSO payload as well as payloads flying to the moon and Mars can also be launched.It is the rocket series with the largest carrying capacity in China at present and the main large commercial rocket series to 21st century.
　　Key Words　Heavy lift launch vehicle, Commercial launch vehicle,+ CZ-3A,
　　+　CZ-3B,+ CZ-3C.
2.3　运载能力
　　CZ-3A系列火箭应用于不同轨道发射时，其运载能力不同，详见图3～11。图6～11所表示的是对应于星罩分体吊装与三级制导关机状态下的运载能力。如果星罩采用整体吊装状态，则对应的运载能力要下降100 kg。当采用最小剩余量关机方式时，3种火箭的运载能力均相应地增加100 kg。

图3　CZ-3A GTO运载能力

图4　CZ-3A SSO运载能力　　　　图5　CZ-3A地球逃逸轨道运载能力

图6　CZ-3B GTO运载能力　　　　图7　CZ-3B SSO运载能力

图8　CZ-3B地球逃逸轨道运载能力　　　　图9　CZ-3C GTO运载能力

图10　CZ-3C SSO运载能力　　　　图11　CZ-3C地球逃逸轨道运载能力
2.4　飞行结果
　　CZ-3A系列火箭，从1994年2月起到1998年7月止，共发射了8次，将8颗不同的应用卫星送入了预定轨道。其中有中国生产的空间环境探测卫星、模拟试验卫星各1颗，DFH-3通信卫星2颗，另外4颗均为外国设计制造的大容量通信卫星，详见表4。
表4　CZ-3A系列火箭发射记录

卫星火箭卫星用户卫星
制造商发射轨道卫星质量
kg发射日期结果
i/(°)hp/kmha/km
SJ-4
KF-1CZ-3ACAST
CALTCAST
CALT28.5
28.5200
20036 193
36 193396
1 3421994-02-08成功
DFH-3CZ-3A中国广播
卫星公司CAST28.520036 1932 232.41994-11-30成功
Intelsat-Ⅴ
ⅡACZ-3BIntelsatSS/L(美)24.520035 7864 593.71996-02-15失败
DFH-3
(第2颗)CZ-3A中国广播
　　卫星公司CAST28.520036 1932 266.61997-05-12成功
MabuhayCZ-3B菲律宾
卫星公司SS/L(美)24.520047 9243 775.11997-08-20成功
APSTAR
ⅡRCZ-3B亚太
卫星公司SS/L(美)24.520047 9243 746.71997-10-17成功
CHINA-
STAR-1CZ-3B中国东方
卫星公司LMOC24.520085 0002 916.81998-05-30成功
SINOSAT-1CZ-3B鑫诺
卫星公司AS(法)19.060035 7862 832.21998-07-18成功


　　实际飞行结果表明，CZ-3A、CZ-3B的各种性能已经达到以至优于原设计值，现列举如下：
　　a) 入轨精度。
　　卫星的实际入轨精度远远高于设计值，这表明制导系统实际的方法误差与工具误差都比预计的小得多。各次发射的入轨精度列于表5。
表5　CZ-3A与CZ-3B的入轨精度表

参数CZ-3ACZ-3B
实际偏差允许
偏差F2偏差F3偏差F4偏差F5偏差
F1F2F3实际允许实际允许实际允许实际允许
轨道倾角
i/(°)0.1080.05-0.022±0.210.071±0.212-0.008±0.2120.005±0.368-0.001±0.24
近地点幅角
ω/(°)0.226-0.035-0.144±0.60-0.04±0.2560.011±0.256-0.010±0.3840.049±0.337
近地点高度
hp/km3.394.3811.86±301.3±31.91.150±31.91.527±22.7820.039±33.42
远地点高度
ha/km60.68-3.70-58.53±120-1604.7
(*)±383.8-1.490±383.816.108±1509.2-0.610±450.9

注：表中F1表示该火箭第1次飞行，F2表示第2次飞行，其余类推；
*表示该值超出设计值，是因为三级推进剂利用系统故障，但卫星仍被送入超同步转移轨道。
　　b) 最大摆角。
　　在各次飞行中，各级发动机的实际摆角也很小，表明姿态控制系统有足够的控制力，各次飞行中各飞行工作段发动机实际最大摆角数值列于表6。
　　　　　　　　表6　最大摆角实际值　　　　　　　　(°)
飞行时段理论值一级
±10二级
±58.5三级一次
±4三级二次
±4
CZ-3AF1δ1-2.18-7.451.151.42
δ2-2.577.38-0.84-0.44
δ3-1.695.920.970.47
δ4-2.16-8.08-0.63-0.87
F2δ11.80-7.080.911.35
δ23.20-10.660.800.53
δ31.294.100.700.43
δ42.388.771.101.1
F3δ1-2.18-12.440.910.86
δ2-1.32-7.020.290.34
δ3-1.79-9.570.720.27
δ4-1.18-6.340.690.78
CZ-3BF2δ12.05-6.900.501.12
δ2-3.33-8.790.550.55
δ31.577.940.750.70
δ44.497.720.901.35
F3δ15.08-8.640.421.65
δ22.61-5.72-0.51-0.60
δ3-3.998.880.650.47
δ41.96-8.07-0.64-1.21
F4δ12.89-6.600.41-0.17
δ22.92-9.190.38-0.64
δ32.92-9.530.840.21
δ42.5413.400.61-0.19
F5δ12.02-7.020.701.32
δ22.08-7.020.480.76
δ32.24-7.190.780.33
δ41.98-6.270.721.07

　　c) 最大姿态角偏差。
　　历次飞行中，火箭的姿态角远小于设计值，表明火箭飞行平稳，姿态控制系统性能良好。历次飞行中理论与实际的最大偏差值列于表7。
表7　最大姿态角偏差

飞行时段偏航角最大偏差Δψ/(°)俯仰角最大偏差Δφ/(°)滚动角最大偏差Δγ/(°)
实际理论实际理论实际理论
CZ-3ACZ-3BCZ-3ACZ-3BCZ-3ACZ-3B
一级1.584.66±102.18-5.26±102.983.78±10
二级0.703.80±153.163.75±151.34-2.39±10
三级一次1.483.21±122.261.4±122.992.34±10
滑行1.232.2±124.39-1.91±12-1.412.06±10
三级二次0.70-5.18±12-2.50-2.36±122.461.88±10


　　d) 运载能力。
　　根据历次飞行中实测的三级液氢液氧剩余量，扣除其中应留的安全余量后，将剩下的部分用尽，并换算到标准GTO，则可得出各次飞行中火箭实际达到的运载能力，详见表8。
表8　运载能力表

型号CZ-3ACZ-3B
飞行次数F1F2F3F2F3F4F5
运载能力/kg2 6692 6372 7205 0805 1005 1625 204
推进剂利用
系统工作状态正常
调节正常
调节正常
调节错误
调节不调节，
搭载试验正常
调节正常
调节


　　e) 力学环境。
　　历次飞行中，实测星箭界面处的低频振动、噪声等力学环境表明：星箭界面处的纵向、横向低频振动载荷耦合分析结果可以覆盖遥测结果，遥测结果与耦合分析结果的变化趋势相同，而且两者的主要峰值频率也相接近。这里不再作全面介绍，仅列举了CZ-3B发射MABUHAY等卫星时的部分数据，详见图12～16。

APSTAR-2R/CZ-3B　　　　　　　　　　　　SINOSAT/CZ-3B
　　图12　一二级分离后星箭界面轴向低频振动的遥测结果与载荷耦合分析结果

CHINASTAR-1/CZ-3B
图13　MDP状态星箭界面横向低频振动的遥测结果与载荷耦合分析

MABUHAY/CZ-3B
图14　MDP状态星箭界面横向低频振动的遥测结果与载荷耦合分析

图15　CZ-3B Y2～Y5跨音速段星罩内噪声的遥测结果与相应的ICD要求

图16　CZ-3B Y2～Y5起飞段星罩内噪声的遥测结果与相应的ICD要求
2.5　主要特点
　　从技术方面看，CZ-3A系列火箭有以下主要特点：
　　a) 充分地实现了模块化、系列化以及整体优化设计，相互间的继承性很好，共用性强，这为本系列火箭良好的可靠性、经济性奠定了重要基础。
　　b) 技术新、性能先进。由于设计目标高，为了达到火箭的总体技术性能指标，在设计与制造过程中采用了大量的新技术，其中重要的有100余项，属于重要技术创新的有22项，属于重大关键技术的有4项。该系列火箭的总体技术性能比较先进，我们曾经将CZ-3A和CZ-3B分别与世界上同类9种火箭从9个重要方面进行了性能比较，结果是CZ-3A有3项列第1名（类），有2项第2名，2项第4名，2项第5名；而CZ-3B 的结果则是两项第1名（类），3项第2名，2项第3名，1项第4名，1项第5 名。可见， CZ-3A和CZ-3B 都在同类大型运载火箭中处于中上以至前列的位次。
　　c) 难度大。CZ-3A系列火箭的长细比是目前我国运载火箭中最大的，其中CZ-3B 、CZ-3C的长细比已高达16.6，列世界大型运载火箭的第2位，这使得姿态控制系统的设计难度很大。另外，冷氦增压技术与螺旋管束式大喷管的成型焊接技术，也均属当今世界航天领域内难度较高的技术。
　　d) 运载能力大。该系列3种火箭CZ-3A、CZ-3C和CZ-3B在地球同步转移轨道上的运载能力分别为2.6 t，3.8 t，5.1 t, 按国际上的一种分类方法，CZ-3A与CZ-3C、CZ-3B分别属于大型、重型运载火箭。
　　e) 入轨精度高。表5列出的数据表明,CZ-3A系列火箭的入轨精度与阿里安、宇宙神系列火箭的入轨精度相当，同属世界一流水平。
　　f) 适应性强。既可以一箭单星也可以一箭双星以至多星发射；既可以用于标准地球同步转移轨道发射，也可以用于超同步转移轨道或低倾角同步转移轨道发射，在飞行中还可以侧向变轨、多次起旋、消旋、调姿与定向等。星罩还有分体吊装与整体吊装两种状态。可以较灵活地满足卫星用户的多种不同使用要求。
　　g) 经济性能好。由于精心设计与严密的工程管理，火箭的研制经费与成本大为减少，因而有较强的市场竞争能力。
3　前景展望
　　CZ-3A系列火箭，经过7次成功的飞行，已经证明其设计方案正确、性能优良、产品质量趋于稳定。但作为一种有前途的商用火箭，还必须不断完善其可靠性设计，严格生产过程的质量控制、以求不断提高火箭的可靠性和发射成功率。该系列火箭具有良好的发展潜力，对设计稍加改进，就可以派生出性能更好的运载火箭。例如：在CZ-3B一级增加2个和现在完全相同的助推器，或将其现有的4个助推器加长1倍，其余部分基本不变，则可以形成标准GTO运载能力达6.5 t～7.0 t的新型火箭，这将进一步增强长征火箭在国际卫星发射市场上的竞争能力。
　　CZ-3A系列运载火箭的前景看好。
作者简介：本文作者为中国运载火箭技术研究院副院长，长征三号甲、乙、丙运载火箭总设计师
作者单位：(中国运载火箭技术研究院，北京，100076)
收稿日期：1998-12-28
