音频科普：长征三号甲系列运载火箭

2019年4月20日22时41分，西昌卫星发射中心发射场响起巨大轰鸣声。载有北斗导航卫星的长征三号乙火箭被成功送入太空。这是长征系列运载火箭的第302次飞行，也是长征三号甲系列运载火箭的第100次飞行。
　　这100次发射，离不开科研团队的不懈努力和艰苦奋斗。他们用实际行动在传承航天精神，也用科研成果讲述了作为航天人默默奉献的故事。
　　吃透技术、精细化……这些航天人耳熟能详的字眼儿，在长征三号甲系列运载火箭团队里绝不仅仅停留在表面上，而是扎扎实实深入了下去。
　　我们先来认识一下这个系列的火箭。
　　长征三号甲系列运载火箭，从长征三号火箭演变而来，包含长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙火箭“三兄弟”，是我国航天领域的主力运载火箭。主要用于我国地球同步转移轨道卫星的发射，承担了以探月工程、北斗工程为代表的多项国家重大工程任务，有着“金牌火箭”的美誉。
　　长征三号甲系列运载火箭的研制，起步于20世纪80年代。虽然当时国家工业基础并不深厚，研制经费投入也有限，但是研制团队始终瞄准国际最高水平，按照高起点、高可靠性的标准投入火箭研制。从技术途径、设计方案、研制试验方法及程序等多个方面，进行了充分的研究论证。
　　据中国工程院院士、长征三号甲系列运载火箭首任总设计师龙乐豪回忆，1993年的1月份，在北京西南郊的一个山头上，好不容易迎来了长征三号甲第三级火箭动力系统试车的时刻。当时，已是天寒地冻，试验场地显得格外的宁静。随着指挥员的倒计时口令，参试人员的心几乎跳到了嗓子眼儿，刹那间火箭喷出的橙红色火箭照亮了整个山野。就在人们期盼成功时刻的到来时，发动机出现了故障。火箭排氢管仍在燃烧，如果不及时扑灭，装有60立方米液氢的火箭随时有可能爆炸。庆幸的是技术人员及时排除了这一重大险情，为了不拖延火箭研制进度，已经两天两夜没有合眼的参试人员，又苦熬一整夜，完成了善后处理工作。
　　经过48小时的紧张工作，故障原因确定为液氧涡轮泵卡死。针对故障原因，试验队又大胆的提出现场更换液氧泵再次点火的试车方案。最终试验成功，同时创造了一发火箭立在试验台，一共进行三次动力系统试车的先例，为火箭首次发射铺平了道路。在当时的环境中，面对如此有风险的决定，现场的试验队员没有退缩，大家只有一个目标——为中国研制一款性能优良的火箭而共同奋斗。
　　1994年2月8日，长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心首次发射成功了。它的特别之处在于燃料的换代升级：
　　长征三号甲运载火箭是一枚大型三级液体推进剂火箭，一、二级为常规燃料，第三级为改进后的液氢/液氧燃料。液体推进剂的作用，简单来说它是为火箭或航天器提供能量的，具有易燃性或助燃性。“长征三号甲”同步转移轨道的运载能力可以达到2650千克。这里说的“同步转移轨道”，是一种椭圆形轨道，在发射地球同步卫星时，首先让卫星进入这种轨道，然后在远地点点燃卫星上的变轨发动机，使它变为所需要的目标轨道。由于拥有更灵活先进的控制系统，长征三号甲运载火箭可以在星箭分离前对有效载荷进行大姿态调姿定向，具有很强的适应性。
　　长征三号甲运载火箭研制成功后，进入了工程应用阶段。为了进一步提高火箭可靠性，1998年前后，火箭研制团队开始进行控制系统级冗余重大专项研制。控制系统级冗余技术是一项国内外先进的复杂技术，能大大提高火箭飞行的可靠性。从长征三号甲系列运载火箭领头应用后，今天的长征系列火箭几乎都开展了冗余控制系统的设计与应用，为中国航天高密度发射持续成功，打下了基础。
　　在研制过程中，火箭控制系统总设计师姜杰经历了巨大的困难和考验。针对这项技术攻关，研制队伍开展了成百上千项试验，解决了数以百计的技术难题。几年的研制过程中，姜杰始终与设计师们战斗在一起，研讨方案、参加试验、分析问题、解决问题、修改报告……很难想象这样一个外表瘦弱的女性蕴含着如此巨大的能量，用她自己的话说就是“都没有时间去生病了”。
　　与“长征三号甲”相比，长征三号乙的诞生并不是一帆风顺的。1996年2月15日，是中国航天人最刻骨铭心的日子。这一天，长征三号乙火箭首飞遭遇重大失利，火箭起飞22秒后撞在附近的山头上，星箭俱毁。当时，由于承受了巨大的压力，研制队伍情绪跌落到了低谷。但大家面对挫折和压力并不是一蹶不振，而是第一时间投入到故障检测中。经过细致的排查，最终查明是因为一个“金-铝”焊接点虚接，导致控制整个火箭的惯性平台失效，火箭按照错误的姿态信号进行姿态纠正，最终坠毁。
　　研制团队查明原因后，在短时间内围绕设计、生产、产品控制、研制管理等工作进行了全面复查。完成了12类、122项试验，提出44项、256条改进措施，保障后续飞行试验都获得了成功。
　　1997年8月20日，长征三号乙又一次矗立在西昌卫星发射中心的发射塔架上，用连续3次发射圆满成功的结果，扭转了中国航天的被动局面，同时也挽回了长征系列运载火箭的声誉。研制队伍克服重重困难，走出了低谷，在经受各种考验后，用实践证明了自己。
　　在长征三号甲系列运载火箭“三兄弟”中，长征三号丙火箭由三级液体火箭捆绑两个助推器组成，这种独特的“非全对称”火箭，在我国长征系列里是首次实现。2008年4月25日“长征三号丙”首飞获得成功，这也意味着中国突破了非全对称火箭设计技术，使得中国高轨任务运载能力分布更加合理，实现了长征三号甲系列运载火箭真正的系列化、组合化。这一系列的运载火箭有着入轨精度高、适应能力强的突出特点，尤其是发射卫星的入轨精度达到了世界一流水平。这个型号的火箭可以实现一箭单星，也可以一箭多星，以及深空探测器发射，可以满足卫星用户多种不同的使用要求。
　　据长三甲系列火箭首任总设计师龙乐豪介绍说，“从推进技术来看，因为长征三号甲系列火箭采用了高效的液氢/液氧推进剂，火箭三子级的比推力是世界一流的。比推力，也就是火箭在单位时间内消耗单位推进剂，所产生的推力。常规的四氧化二氮/偏二甲肼推进剂，比推力最高不到280秒，液氧/煤油推进剂的比推力也就在300至310之间，而液氢/液氧推进剂最高能达到440秒，这个差距显而易见。”
　　衡量一个型号的火箭是否先进，还有一个关键的指标：有效载荷系数。通俗地说就是，火箭运送卫星的重量除以它的起飞重量，得出的系数。龙乐豪形象地打了个比方：“就像2个举重运动员，举的重量是一样的，他俩谁的体重更轻，谁就赢了。火箭也是一样的道理，同样的起飞重量，发射的卫星越大，有效载荷系数越大，火箭就越先进。当时，长征三号甲的有效载荷系数在世界上是第三位。在长征三号甲系列火箭‘三兄弟’中，其实‘大哥’长征三号甲力气还是最小的，‘二哥’长征三号乙力气最大，‘三弟’长征三号丙次之，想打什么样的卫星，都没问题。”
　　凭借世界一流的技术水平，使长征三号甲系列火箭成为集高新技术于一体的品牌和主推产品。截至2018年12月，长征三号甲系列火箭先后承担了16次国际商业发射任务，为多个国家和地区发射了卫星，全部取得了圆满成功，它所创造的效益占火箭院全部国际商业发射任务收入的50%以上。其中，鑫诺一号卫星的发射服务项目使长征三号甲系列火箭打开了欧洲市场，首次与法国合作发射通信卫星，实现了与欧洲一流国际公司的接轨。
　　时代在进步，技术在发展，未来随着火箭更新换代，相信新时代的航天人在后续型号研制中能够发扬长征三号甲系列火箭的优良基因、充分汲取新一代火箭的新成果，从中国的“金牌”创新发展成世界“金牌”火箭，并在未来航天事业中发挥更重要的作用。



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