音頻科普：長征三號甲係列運載火箭

2019年4月20日22時41分，西昌衛星發射中心發射場響起巨大轟鳴聲。載有北鬥導航衛星的長征三號乙火箭被成功送入太空。這是長征係列運載火箭的第302次飛行，也是長征三號甲係列運載火箭的第100次飛行。
　　這100次發射，離不開科研團隊的不懈努力和艱苦奮鬥。他們用實際行動在傳承航天精神，也用科研成果講述了作為航天人默默奉獻的故事。
　　吃透技術、精細化……這些航天人耳熟能詳的字眼兒，在長征三號甲係列運載火箭團隊裏絕不僅僅停留在表麵上，而是紮紮實實深入了下去。
　　我們先來認識一下這個係列的火箭。
　　長征三號甲係列運載火箭，從長征三號火箭演變而來，包含長征三號甲、長征三號乙、長征三號丙火箭“三兄弟”，是我國航天領域的主力運載火箭。主要用於我國地球同步轉移軌道衛星的發射，承擔了以探月工程、北鬥工程為代表的多項國家重大工程任務，有著“金牌火箭”的美譽。
　　長征三號甲係列運載火箭的研製，起步於20世紀80年代。雖然當時國家工業基礎並不深厚，研製經費投入也有限，但是研製團隊始終瞄準國際最高水平，按照高起點、高可靠性的標準投入火箭研製。從技術途徑、設計方案、研製試驗方法及程序等多個方麵，進行了充分的研究論證。
　　據中國工程院院士、長征三號甲係列運載火箭首任總設計師龍樂豪回憶，1993年的1月份，在北京西南郊的一個山頭上，好不容易迎來了長征三號甲第三級火箭動力係統試車的時刻。當時，已是天寒地凍，試驗場地顯得格外的寧靜。隨著指揮員的倒計時口令，參試人員的心幾乎跳到了嗓子眼兒，刹那間火箭噴出的橙紅色火箭照亮了整個山野。就在人們期盼成功時刻的到來時，發動機出現了故障。火箭排氫管仍在燃燒，如果不及時撲滅，裝有60立方米液氫的火箭隨時有可能爆炸。慶幸的是技術人員及時排除了這一重大險情，為了不拖延火箭研製進度，已經兩天兩夜沒有合眼的參試人員，又苦熬一整夜，完成了善後處理工作。
　　經過48小時的緊張工作，故障原因確定為液氧渦輪泵卡死。針對故障原因，試驗隊又大膽的提出現場更換液氧泵再次點火的試車方案。最終試驗成功，同時創造了一發火箭立在試驗台，一共進行三次動力係統試車的先例，為火箭首次發射鋪平了道路。在當時的環境中，麵對如此有風險的決定，現場的試驗隊員沒有退縮，大家隻有一個目標——為中國研製一款性能優良的火箭而共同奮鬥。
　　1994年2月8日，長征三號甲運載火箭在西昌衛星發射中心首次發射成功了。它的特別之處在於燃料的換代升級：
　　長征三號甲運載火箭是一枚大型三級液體推進劑火箭，一、二級為常規燃料，第三級為改進後的液氫/液氧燃料。液體推進劑的作用，簡單來說它是為火箭或航天器提供能量的，具有易燃性或助燃性。“長征三號甲”同步轉移軌道的運載能力可以達到2650千克。這裏說的“同步轉移軌道”，是一種橢圓形軌道，在發射地球同步衛星時，首先讓衛星進入這種軌道，然後在遠地點點燃衛星上的變軌發動機，使它變為所需要的目標軌道。由於擁有更靈活先進的控製係統，長征三號甲運載火箭可以在星箭分離前對有效載荷進行大姿態調姿定向，具有很強的適應性。
　　長征三號甲運載火箭研製成功後，進入了工程應用階段。為了進一步提高火箭可靠性，1998年前後，火箭研製團隊開始進行控製係統級冗餘重大專項研製。控製係統級冗餘技術是一項國內外先進的複雜技術，能大大提高火箭飛行的可靠性。從長征三號甲係列運載火箭領頭應用後，今天的長征係列火箭幾乎都開展了冗餘控製係統的設計與應用，為中國航天高密度發射持續成功，打下了基礎。
　　在研製過程中，火箭控製係統總設計師薑傑經曆了巨大的困難和考驗。針對這項技術攻關，研製隊伍開展了成百上千項試驗，解決了數以百計的技術難題。幾年的研製過程中，薑傑始終與設計師們戰鬥在一起，研討方案、參加試驗、分析問題、解決問題、修改報告……很難想象這樣一個外表瘦弱的女性蘊含著如此巨大的能量，用她自己的話說就是“都沒有時間去生病了”。
　　與“長征三號甲”相比，長征三號乙的誕生並不是一帆風順的。1996年2月15日，是中國航天人最刻骨銘心的日子。這一天，長征三號乙火箭首飛遭遇重大失利，火箭起飛22秒後撞在附近的山頭上，星箭俱毀。當時，由於承受了巨大的壓力，研製隊伍情緒跌落到了低穀。但大家麵對挫折和壓力並不是一蹶不振，而是第一時間投入到故障檢測中。經過細致的排查，最終查明是因為一個“金-鋁”焊接點虛接，導致控製整個火箭的慣性平台失效，火箭按照錯誤的姿態信號進行姿態糾正，最終墜毀。
　　研製團隊查明原因後，在短時間內圍繞設計、生產、產品控製、研製管理等工作進行了全麵複查。完成了12類、122項試驗，提出44項、256條改進措施，保障後續飛行試驗都獲得了成功。
　　1997年8月20日，長征三號乙又一次矗立在西昌衛星發射中心的發射塔架上，用連續3次發射圓滿成功的結果，扭轉了中國航天的被動局麵，同時也挽回了長征係列運載火箭的聲譽。研製隊伍克服重重困難，走出了低穀，在經受各種考驗後，用實踐證明了自己。
　　在長征三號甲係列運載火箭“三兄弟”中，長征三號丙火箭由三級液體火箭捆綁兩個助推器組成，這種獨特的“非全對稱”火箭，在我國長征係列裏是首次實現。2008年4月25日“長征三號丙”首飛獲得成功，這也意味著中國突破了非全對稱火箭設計技術，使得中國高軌任務運載能力分布更加合理，實現了長征三號甲係列運載火箭真正的係列化、組合化。這一係列的運載火箭有著入軌精度高、適應能力強的突出特點，尤其是發射衛星的入軌精度達到了世界一流水平。這個型號的火箭可以實現一箭單星，也可以一箭多星，以及深空探測器發射，可以滿足衛星用戶多種不同的使用要求。
　　據長三甲係列火箭首任總設計師龍樂豪介紹說，“從推進技術來看，因為長征三號甲係列火箭采用了高效的液氫/液氧推進劑，火箭三子級的比推力是世界一流的。比推力，也就是火箭在單位時間內消耗單位推進劑，所產生的推力。常規的四氧化二氮/偏二甲肼推進劑，比推力最高不到280秒，液氧/煤油推進劑的比推力也就在300至310之間，而液氫/液氧推進劑最高能達到440秒，這個差距顯而易見。”
　　衡量一個型號的火箭是否先進，還有一個關鍵的指標：有效載荷係數。通俗地說就是，火箭運送衛星的重量除以它的起飛重量，得出的係數。龍樂豪形象地打了個比方：“就像2個舉重運動員，舉的重量是一樣的，他倆誰的體重更輕，誰就贏了。火箭也是一樣的道理，同樣的起飛重量，發射的衛星越大，有效載荷係數越大，火箭就越先進。當時，長征三號甲的有效載荷係數在世界上是第三位。在長征三號甲係列火箭‘三兄弟’中，其實‘大哥’長征三號甲力氣還是最小的，‘二哥’長征三號乙力氣最大，‘三弟’長征三號丙次之，想打什麽樣的衛星，都沒問題。”
　　憑借世界一流的技術水平，使長征三號甲係列火箭成為集高新技術於一體的品牌和主推產品。截至2018年12月，長征三號甲係列火箭先後承擔了16次國際商業發射任務，為多個國家和地區發射了衛星，全部取得了圓滿成功，它所創造的效益占火箭院全部國際商業發射任務收入的50%以上。其中，鑫諾一號衛星的發射服務項目使長征三號甲係列火箭打開了歐洲市場，首次與法國合作發射通信衛星，實現了與歐洲一流國際公司的接軌。
　　時代在進步，技術在發展，未來隨著火箭更新換代，相信新時代的航天人在後續型號研製中能夠發揚長征三號甲係列火箭的優良基因、充分汲取新一代火箭的新成果，從中國的“金牌”創新發展成世界“金牌”火箭，並在未來航天事業中發揮更重要的作用。



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