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长征三号乙运载火箭

长征三号乙(CZ-3B)由中国运载火箭技术研究院在CZ-3A和CZ-2E火箭的基础上研制的大型三级液体捆绑火箭。它是以长征三号甲火箭作为芯级,在其一子级上捆绑四枚2.25米直径液体助推器而构成,助推器及其捆绑结构则与长征二号捆火箭基本相同,主要用于发射地球同步转移轨道卫星,亦可进行一箭多星发射或其它轨道卫星的发射,它也是中国用于商业卫星发射服务的主力火箭。

长征三号乙增强型全长56.3米,一、二子级直径3.35米、助推器直径2.25米,三子级直径3.0米,卫星整流罩最大直径4.2米,起飞质量459吨,GTO运载能力为5.5吨。 [1]

长征三号乙运载火箭于1996年2月15日首次发射国际708通信卫星失败,在1997年8月和10月则成功地发射了菲律宾马部海卫星和亚太二号R卫星。在2013年12月2日和2018年12月8日分别成功发射了我国自主研发的嫦娥三号月球探测器和人类首个尝试着陆月球背面的嫦娥四号月球探测器。 [2]

截至2019年1月11日,长征三号乙火箭共发射54次,成功51次,部分成功2次,失败1次,发射成功率94.44%。 [3]

标准型火箭共有2种构型:长征三号乙标准型(CZ-3B)、长征三号乙改一型(CZ-3B/G1)。

标准型火箭已停产,后续发射任务由长征三号乙增强型承担。

长征三号乙标准型

长征三号乙标准型(CZ-3B)火箭芯一级与助推器为不加长状态,使用4000F型整流罩,控制系统为平台+激光惯组主从冗余方案。 [4]

火箭全长54.838米,一、二子级直径3.35米、助推器直径2.25米,三子级直径3.0米,整流罩直径4.0米,起飞质量425.8吨,标准GTO运载能力为5.1吨。

长征三号乙运载火箭于1996年2月15日首次飞行发射国际708通信卫星失败,火箭起飞22秒后触地爆炸。 [5] 在1997年8月和10月则成功地发射了菲律宾马部海卫星和亚太二号R卫星。 [1]

长征三号乙改一型

长征三号乙改一型(CZ-3B/G1)是在长征三号标准型的基础上,采用起飞滚转定向、双向风补偿、三级一次工作、串联式双星分离,使用3700Z加长型(3700ZS型)双星整流罩。

火箭全长57.056米,整流罩直径3.7米。

长征三号乙改一型执行过Y14、Y15两发北斗双星发射任务。 [4]

长征三号乙增强型火箭(CZ-3B/E)共有4种构型:长征三号乙改二型(CZ-3B/G2)、长征三号乙改三型(CZ-3B/G3)、长征三号乙改三Z型/远征一号(CZ-3B/YZ-1)和长征三号乙改五型(CZ-3B/G5)(研制中)。 [6]

长征三号乙改二型

长征三号乙改二型(CZ-3B/G2)是在长征三号标准型的基础上,芯一级加长1.488米,助推器加长0.768米,采用长征二号F的二级发动机,二级结构得到加强,同时使用4000F型整流罩。控制系统有两种状态可选:平台+激光惯组主从冗余方案;双激光惯组主从冗余/卫星导航复合制导方案。 [4] [7]

火箭全长56.326米,整流罩直径4.0米,起飞质量458.97吨,标准GTO运载能力为5.5吨转移轨道(TLI)运载能力达到3.78吨 [8]

长征三号乙改二型于2007年5月14日首次成功发射尼日利亚通信卫星一号,并于2013年12月2日成功发射了我国自主研发的嫦娥三号月球探测器。 [1]

长征三号乙改三型

长征三号乙改三型(CZ-3B/G3)继承了改二型的基本状态,使用4200F型整流罩,控制系统为双激光惯组/卫星导航复合制导, [4] 运用了遥测图像实时传输技术,飞行可靠性达到0.942。 [9]

火箭全长56.542米,整流罩直径4.2米,标准GTO运载能力为5.4吨

长征三号乙改三型于2011年9月19日首次成功发射中星一号A。 [1] [10]

长征三号乙改三Z型

长征三号乙改三Z型(CZ-3B/G3Z)继承了改三型的基本状态,使用4200Z型整流罩,采用1194A卫星支架,安装姿控发动机和姿控贮箱。该构型通常与远征一号上面级相配合。

火箭全长57.126米,整流罩直径4.2米,标准GTO运载能力为5.2吨 [4]

长征三号乙/远征一号

长征三号乙/远征一号(CZ-3B/YZ-1)即长征三号乙改三Z型/远征一号。是在长征三号乙改三Z型火箭的基础上,加装了远征一号上面级,形成了一个四级火箭。该火箭主要用于执行MEO北斗卫星的“一箭双星”直接入轨发射任务。

长征三号乙/远征一号21500公里中地球轨道(MEO)运载能力为2.2吨,远征一号上面级按照MEO双星发射的状态,运载能力可以达到1100公斤/星。 [11]

长征三号乙/远征一号于2015年7月25日首次成功发射两颗新一代北斗导航卫星。 [12]

长征三号乙改五型

长征三号乙改五型(CZ-3B/G5)是在长征三号乙/远征一号火箭基础上,将整流罩加长了900毫米,从而能够包络更大的卫星。该构型不仅能够发射地球同步转移轨道有效载荷,还将覆盖太阳同步轨道有效载荷的发射任务。

长征三号乙改五型正在研制中。 [6]

全箭由箭体结构、动力系统、控制系统、遥测系统、外测安全系统、滑行段推进剂管理与姿态控制系统、低温推进剂利用系统、分离系统以及辅助系统等组成。

一子级上部是装有液体四氧化二氮(N2O4)的氧化剂箱,下部是装有液体偏二甲肼(UDMH)的燃烧剂箱,总长长23.272米。一子级装配有DaFY6-2型发动机,该发动机是由四台推力为75吨的液体N2O4/UDMH发动机并联而成。每台DaFY6-2型发动机的喷口可以在伺服机构的带动下单向摆动以控制火箭飞行的姿态,最大的摆动角为10度。

每枚助推器捆长15.326米,上部是装有液体四氧化二氮(N2O4)的氧化剂箱,下部是装有液体偏二甲肼(UDMH)的燃烧剂箱,并在尾部各安装了一个尾翼。四个助推器各配有一台推力为75吨的DaFY5-1型发动机,喷管固定不摆。

二子级长9.943米,上部是装有液体四氧化二氮(N2O4)的氧化剂箱,下部是装有液体偏二甲肼(UDMH) 的燃烧剂箱。二子级装配有75吨推力的DaFY20-1型发动机(主发动机)和带四个小喷管、推力为4.8吨的游动发动机DaFY21-1。主发动机喷管固定不动,游动发动机喷管可作单向摆动,最大摆角60度,以控制箭体飞行姿态。

三子级长12.375米,上部是装有液氢(LH2)的燃烧剂箱,下部是装有液氧(LOX)的氧化剂箱。三子级采用的是YF-75氢氧发动机,具有二次启动能力,由两台独立的单管发动机并联而成,每台推力8吨,可在伺服机构的带动下双向摆动,最大综合摆角4度,控制三子级箭体飞行姿态。

在火箭飞行穿过大气层这段过程中,火箭顶部的卫星整流罩保护卫星免受来自大气层的各种干扰。卫星整流罩为卫星提供了一个良好的环境。长征三号乙火箭的卫星整流罩由端头帽、双锥段、圆柱段和倒锥段组成。端头帽由玻璃钢纤维材料制成,具有良好的无线电透波性。双锥段和圆柱段是由金属蜂窝材料制成,倒锥段由化铣合金材料制成。如果需要,无线电透波窗口和操作窗口可以在柱段和双锥段上开口。长三乙火箭整流罩长9.56米,最大外直径4.0米,其静包络最大直径为3.65米。

长征三号乙火箭可以提供多种机械接口,但一般来说,提供标准的937B和1194机械接口。卫星的下端框与火箭的有效载荷支架的上端框对接,通过包带来锁紧。 [13]

长征三号乙运载火箭主要用于发射地球同步轨道卫星,其运载能力达到5.5吨,是中国用于商业卫星发射服务的主力火箭。长三乙火箭还可执行其它轨道要求的任务,并且还可满足有效载荷调姿、再定向和起旋要求,以及双星和多星发射的要求等。长三乙火箭可提供多种整流罩以适应不同用户的需要。

3700ZS型(3700Z加长型)

参数

助推器 × 4

一子级

二子级

三子级

15.326(CZ-3B)

16.094(CZ-3B/E)

23.272(CZ-3B)

24.76(CZ-3B/E)

推进剂(氧化剂+燃烧剂)

四氧化二氮+偏二甲肼

液氧+液氢

发动机型号

YF-25× 4

YF-21C

YF-24E(主机+游机)

YF-75 × 2

YF-23C(游动发动机)

推力(千牛)

2961.6

789.2(主机+游机)

167.17(总推力)

742 (主机)

11.8 * 4 (游动发动机)

发动机比冲(牛秒/千克)

2556.2

2556.2

2922.57 (主机)

2910.5 (游动发动机)

4295

0(主机)

60(游动发动机)

127(CZ-3B)

140(CZ-3B/E)

158(CZ-3B/E)

TLI:地月转移轨道(Trans-Lunar injection)

MEO:中地球轨道(Medium Earth orbit)

LEO:近地轨道(Low Earth orbit)

SSO:太阳同步轨道(Sun-synchronous orbit)

参数

标准GTO轨道参数

入轨精度(3σ)

近地点高度

200 km

±30 km

远地点高度

35786 km

半长轴 ±120 km

轨道倾角

28.5°

±0.21°

近地点幅角

179.6°

±0.6°

备注:

LEO与SSO运载能力均为理论参数,长征三号乙在实际发射中并不使用此类轨道。

LEO:200km @ 28.5°

SSO:500km

标准GTO参数表示的是在卫星与火箭分离时刻卫星所处轨道的参数。用户可以根据卫星的需要以及火箭运载能力选择不同的轨道。如果运载能力有剩余,长征三号乙火箭可以将卫星送入一个低倾角的轨道或是一个超同步转移轨道,这样的话,卫星的在轨道寿命可以得到延长。

资料来源:

运载火箭 LM-3B:中国长城工业集团有限公司官网 [14]

邢晓光,胡炜.长征三号甲系列火箭构型统一的管理模式实践[J].航天产品工程建设最佳实践专刊,2012,(5):50-53 [4]

长征三号乙火箭在西昌卫星发射中心(XSLC)进行发射。火箭将被装载在火车上从北京运往四川省的西昌,在西昌卫星发射中心的技术中心和发射中心进行各种测试和操作活动,包括在技术中心的四次总检查、火箭由技术中心转运到发射中心、火箭各子级在发射中心起竖对接、在发射中心的四次总检查、卫星/火箭联合操作、火箭加注、以及最后发射倒计时等。 [15]

长征三号乙运载火箭可以将卫星送入地球同步转移轨道(GTO)。在执行一个典型的GTO任务时,长三乙火箭的一、二子级首先将卫星和三子级的组合体送入一个圆形的停泊轨道,然后三子级进行600多秒的滑行段飞行,在组合体在火箭控制系统的控制下进行再定向之后,三子级发动机再次点火将组合体送入目标GTO轨道,最后,三子级和卫星分离。

长征三号乙运载火箭的主要飞行事件如下所列:

助推器分离:

每个助推器都是分别通过前连接面的杆系结构和后连接面的球头结构同火箭芯级相连的。在助推器发动机关机后,用于连接的爆炸螺栓和分离螺母分别解锁,装在助推器上固体小型分离火箭点火,将助推器推离火箭芯级,助推器自由下落完成分离。

一子级/二子级分离:

一子级/二子级分离是所谓的“热分离”。在一子级发动机关机后,二子级主发动机点火,联接两级的爆炸螺栓起爆解锁,这样一子级就被二子级发动机喷出的高速燃气流推离,一子级和二子级分离。

整流罩抛罩:

整流罩以“解锁-翻转-分离”方式进行抛罩。在横向上整流罩与三子级通过12个横向爆炸螺栓联接,在纵向上两半整流罩是由2个纵向爆炸螺栓和一条导爆索联接。在抛罩时,12个横向爆炸螺栓和2个纵向爆炸螺栓首先同时解爆,在0.1秒内纵向导爆索解锁,安装在三子级前端框上的分离弹簧将两半整流罩推开分离。两个整流罩半罩围绕着三子级前端框上的铰链翻转,随着火箭加速上升整流罩分离下落。

二子级/三子级分离:

二子级/三子级分离是所谓的“冷分离”。在二子级的主发动机和游动发动机关机后,安装在三子级上的小型加速火箭点火,从而在火箭飞行方向上产生一个加速度,使得三子级的推进剂沉底易于三子级发动机点火起动。同时,联接二子级和三子级的爆炸螺栓起爆解锁,安装在二子级上的小型反推火箭点火产生一个反向加速度,二子级与三子级脱离。

卫星/三子级分离:

卫星与三子级分离是通过分离弹簧的分离力来实现的。当火箭控制系统发出星箭分离指令,联接卫星和有效载荷支架的包带上的无污染爆炸螺栓起爆解锁,解锁后的包带被安装在有效载荷支架上的拉簧拉回。卫星被分离弹簧推离火箭。

事件

飞行时间(秒)

一子级点火

-3

起飞

0.00

程序转弯

11.0

助推器分离

127.24

一子级/二子级分离

147.36

整流罩抛罩

232.4

二子级/三子级分离和三子级发动机点火

332.31

三子级发动机一次关机

631.32

三子级发动机二次点火

1281.23

三子级发动机二次关机

1459.91

卫星/三子级分离

1559.907

序号

起飞时

运载火箭

有效载荷

轨道

结果

备注

1

1996.2.15

03:01:07

CZ-3B Y1

国际通信卫星708

GTO

失败

惯性平台失效,点火后22秒坠地爆炸

2

1997.8.20

01:50

CZ-3B Y2

菲律宾马部海1号

SSTO

成功

Space Systems/Loral, Agila2

3

1997.10.17

03:13

CZ-3B Y3

亚太二号R通信卫星

SSTO

成功

美国劳拉空间系统公司制造

4

1998.5.30

18:00:04

CZ-3B Y5

中卫一号(中星5A)

SSTO

成功

美国洛克希德马丁公司制造

5

1998.7.18

17:20

CZ-3B Y4

鑫诺一号(中星5B)

GTO

成功

法国宇航公司制造

6

2005.4.12

20:00

CZ-3B Y6

亚太六号通信卫星

SSTO

成功

法国阿尔卡特空间公司制造

7

2006.10.29

00:20:52

CZ-3B Y7

鑫诺二号

GTO

成功

东方红四号通信卫星平台首星

天线与太阳帆板失败,卫星失效

8

2007.5.14

00:01:02.937

CZ-3B/G2 Y9

尼日利亚通信星一号

SSTO

成功

太阳帆板故障,卫星失效

9

2007.7.5

20:08:03.807

CZ-3B Y10

中星6B

SSTO

成功

由法国泰雷兹阿来尼亚宇航公司

10

2008.6.9

20:15:04.393

CZ-3B Y11

中星9号

SSTO

成功

鑫诺二号备份星,购自法国

11

2008.10.30

00:53:43.093

CZ-3B/G2 Y12

委内瑞拉通信星一号

SSTO

成功

东方红四号通信卫星平台

12

2009.8.31

17:28

CZ-3B Y8

印尼帕拉帕-D1

SSTO

部分

成功

三级二次点火后Ⅰ分机推力不足,

卫星未能进入预定轨道,

后卫星经多次变轨,成功定点

13

2010.9.5

00:14:04.227

CZ-3B/G2 Y13

鑫诺六号(中星6A)

SSTO

成功

东方红四号通信卫星平台

高压氦气泄露寿命降1/3

14

2011.6.21

00:13:04.358

CZ-3B/G2 Y20

鑫诺五号(中星10)

SSTO

成功

东方红四号通信卫星平台

15

2011.8.12

00:15:04.434

CZ-3B/G2 Y19

巴基斯坦通信星1R

SSTO

成功

东方红四号通信卫星平台

16

2011.9.19

00:33:03.621

CZ-3B/G3 Y16

中星1A

GTO

成功

东方红四号通信卫星平台

17

2011.10.7

16:21:04.348

CZ-3B/G2 Y18

欧洲通信卫星W3C

GTO

成功

法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司制造

18

2011.12.20

00:41:03.663

CZ-3B/G2 Y21

尼星1R

SSTO

成功

东方红四号通信卫星平台

接替在轨失效的尼星一号

19

2012.03.31

18:27:04.438

CZ-3B/G2 Y22

亚太七号

SSTO

成功

法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司

SPACEBUS 4000C2型平台

20

2012.04.30

04:50:03.968

CZ-3B/G1 Y14

北斗二号M3/M4

MTO

成功

东方红三号A卫星平台

21

2012.05.26

23:56:04.241

CZ-3B/G3 Y17

中星2A

GTO

成功

东方红四号通信卫星平台

22

2012.09.19

03:10:04.179

CZ-3B/G1 Y15

北斗二号M5/M6

MTO

成功

东方红三号A卫星平台

23

2012.11.27

18:13:03.960

CZ-3B/G2 Y24

中星十二号

SSTO

成功

法国泰雷兹阿莱尼亚宇航公司制造

2013.05.02

00:06:04.031

2013.12.02

01:30:00.344

CZ-3B/G2 Y23

2013.12.21

00:42:04

东方红四号通信卫星平台

2015.07.25

20:29:04.411

CZ-3B/G3Z Y26

(YZ-1 Y2)

北斗三号导航

试验卫星M1-S星

北斗三号导航

试验卫星M2-S星

北斗三号导航试验卫

星MEO星首次发射 [16]

2015.09.12

23:42:04.418

首次配置在轨展开大天线 [17-18]

2015.09.30

07:13:04.225

北斗三号全球导航

试验卫星I2-S星

北斗三号导航试验卫

星IGSO星首次发射 [17]

2015.10.17

00:16:04.272

实现中国周边海域海洋信号全覆盖,

助力海上“丝绸之路”战略发展。 [19-20]

2015.11.04

00:45:04.238

2015.11.21

00:07:04.308

2015.12.10

00:46:04.320

2015.12.29

00:04:04.262

2016.01.16

00:57:04.080

白俄罗斯通信卫星

BelinterSat-1/中星15号

2016.08.06

00:22:04.273

2016.12.11

00:11:04.063

2017.01.05

23:18:04.0456

通讯技术试验卫星二号

(火眼一号)

2017.04.12

19:04:04.133

实践十三号通信卫星

(中星十六号高通量通信卫星)

东方红三号B通信卫星平台全配置首发星

我国首颗高通量通信卫星

首次应用Ka频段多波束宽带通信系统 [29]

2017.06.19

00:11

中星9A通信卫星

(鑫诺四号)

部分

成功

火箭三级工作异常,卫星未能入轨

后卫星经10次轨道调整,成功定点

2017.11.05

19:45:04.244

CZ-3B/G3Z Y46

(YZ-1 Y4)

北斗三号导航卫星M1星

北斗三号导航卫星M2星

2017.12.11

00:40:04.230

阿尔及利亚一号通信卫星

2018.01.12

07:18:04.616

CZ-3B/G3Z Y45

(YZ-1 Y5)

北斗三号导航卫星M7星

北斗三号导航卫星M8星

2018.02.12

13:03:04.218

CZ-3B/G3Z Y47

(YZ-1 Y6)

北斗三号导航卫星M3星

北斗三号导航卫星M4星

2018.03.30

01:56:04.130

CZ-3B/G3Z Y48

(YZ-1 Y7)

北斗三号导航卫星M9星

北斗三号导航卫星M10星

2018.05.04

00:06:05.726

2018.07.29

09:48:04.708

CZ-3B/G3Z Y49

(YZ-1 Y8)

北斗三号导航卫星M5星

北斗三号导航卫星M6星

2018.08.25

07:52:04.550

CZ-3B/G3Z Y50

(YZ-1 Y9)

北斗三号导航卫星M11星

北斗三号导航卫星M12星

2018.09.19

22:07:03.902

CZ-3B/G3Z Y51

(YZ-1 Y10)

北斗三号导航卫星M13星

北斗三号导航卫星M14星

2018.10.15

12:23

CZ-3B/G3Z Y52

(YZ-1 Y11)

北斗三号导航卫星M15星

北斗三号导航卫星M16星

2018.11.01

23:57:04.7087

2018.11.20

02:07:04.447

CZ-3B/G3Z Y53

(YZ-1 Y12)

北斗三号导航卫星M17星

北斗三号导航卫星M18星

2018.12.08

02:23:34.3666

2019.01.11

01:11:04.838

CZ-3B/E

GTO:地球同步转移轨道(Geostationary Transfer orbit)

SSTO:超同步转移轨道(Super-Synchronous Transfer orbit)

MTO:中地球转移轨道(Medium Earth Transfer orbit)

MEO:中地球轨道(Medium Earth orbit)

TLI:地月转移轨道(Trans-Lunar injection)

注释:

①由于火箭惯性基准平台失效 (惯性基准平台的随动环伺服回路里功率输出模块中的金铝键合点材料老化,在高冲击下产生断裂,从而导致随动环故障,造成惯性基准无电流输出,俗称“惯性平台倒台”,向箭上控制系统输出了火箭在作正俯仰和正偏航运动的错误信息;控制系统为纠正火箭实际上并不存在的正俯仰和正偏航运动,控制火箭进行负俯仰和负偏航,偏离发射方向。除惯性平台外,箭上其它各系统硬件、软件均工作正常。),火箭点火起飞后约2秒后,飞行姿态即出现异常,火箭偏离发射方向。飞行约22秒后,火箭撞上离发射架约1.85公里的山坡上,随即发生剧烈爆炸,星箭全部损失,星体和箭体基本没有大的残骸。死亡6人,伤57人,毁伤民房80余间。自此次事件之后西昌卫星发射基地发射的卫星再也没有出现过有死伤的发射事故。 [47-48]

②太阳帆板二次展开失败,天线展开失败,卫星失效。

③2008年11月15日,太阳帆板驱动机构故障,电能耗尽,卫星失效。

④火箭一二级飞行正常,三级发动机Ⅰ分机被多余物堵塞氢喷嘴,燃气发生器局部泄漏,三级二次点火后Ⅰ分机推力不足,致使卫星入轨的远地点偏低,未能将卫星送入预定转移轨道。后卫星进行了三次变轨成功进入地球静止轨道,卫星寿命减少1/3。 [49]

⑤三级滑行段姿控发动机滚动控制的推力器出现异常,同时由于操作失误,导致火箭三级在滑行过程时的负滚动状态未能调整过来,最终在三级二次点火工作段时触发了推力中止,使三级发动机提前关机,卫星仅进入193kmx16357km [50] 的大椭圆轨道,未能进入预定轨道。后卫星在16天内实施10次变轨,于2017年7月5日成功定点于东经101.4°赤道上空的预定地球静止轨道, [51] 卫星寿命缩短至4.04年。 [52-53]


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