1967年提出了“长征一号”运载火箭方案,也即火箭的第一、二级和控制系统在“东风四号”基础上修改,增加固体第三级。火箭的第二级推进剂燃烧完毕关机后并不与第三级分离,而是控制第三级靠已获速度无动力上升滑行,并且调整火箭达到第三级发动机点火需要的状态。滑行一定时间达到一定高度后,第二级和第三级分离,同时第三级固体发动机开始高速旋转,保持姿态,点火加速,将卫星送入预定轨道。第三级没有一般火箭的完整控制系统,靠自旋保持姿态,发动机在燃料燃烧完毕后,推动力才消失。但第三级有一套电路系统,可以由钟表机构发出自旋、卫星分离和观察伞打开等时间指令。观察伞的设置目的是为了增加日光反射面积和强度,便于地面观察人员用肉眼搜寻和观察卫星。
通过“东风四号”的飞行试验,也试验了“长征一号”运载火箭的第一、二级,这样就节省了大量经费,也缩短了研制周期。因此,“长征一号”运载火箭一开始就是和“东风四号”结合在一起来研制的。
到1971年11月,“东风四号”第四次飞行试验取得圆满成功,我们终于掌握了多级火箭的设计、生产和发射的技术,为“长征一号”运载火箭的研制和发射奠定了坚实的基础。
但是从“东风四号”导弹到“长征一号”运载火箭,依然有很多研究工作要做。首先是对“东风四号”进行适应性修改,使得它能够满足“长征一号”运载火箭发射“东方红一号”卫星的要求。更重要的是火箭第三级固体发动机的研制,从1965年底开始,先后共经过了19次地面试车,到1970年,各项技术指标终于达到了设计要求。
经过四年的艰苦努力,“长征一号”运载火箭终于研制成功了,为发射“东方红一号”卫星,共准备了两枚火箭。1970年1月30日,“东风四号”在酒泉发射基地第二次发射取得圆满成功,于是决定用第一枚“长征一号”火箭发射“东方红一号”卫星。
1970年4月24日是“东方红一号”卫星的预定发射日期。在酒泉的发射场内,技术人员有条不紊地忙碌着。21时35分,点火口令准时发出,“长征一号”火箭腾空而起,在天空中画出美丽的弧线,闪烁着动人的火焰进入了太空。21时50分,中国国家广播事业局报告,收到了中国第一颗卫星“东方红一号”播送的《东方红》乐曲,声音宏亮清晰。4月25日下午,新华社向全世界宣布,1970年4月24日中国成功地发射了自主研制的第一颗人造地球卫星“东方红一号”。全中国乃至全世界的人们,都被中国的航天壮举震撼了。
1971年3月3日,“长征一号”火箭第二次发射,把“实践一号”科学试验卫星准确送入轨道,又一次取得圆满成功。相对于70度倾角、440千米高的圆轨道,“长征一号”火箭的运载能力为300千克。“长征一号”运载火箭共进行了两次发射,都获得了成功。
为了提高“长征一号”火箭的运载能力,适应国内外小型卫星发射市场需求,根据“长征一号”改进的“长征一号丁”火箭正时刻准备着进入发射市场。“长征一号丁”运载火箭的低轨道(185千米)运载能力为850千克,同步轨道的运载能力为200千克。
中国凭借自己的力量,成功发射第一枚“长征一号”运载火箭,一跃成为世界上第五个独立研制和发射人造卫星的国家。“长征一号”的研制成功,是我国航天事业的一个标志性开端,揭开了我国航天活动的序幕,标志着中国开始发展自己的运载火箭。
知识点东方红一号卫星
东方红一号卫星是我国于1970年4月24日发射的第一颗人造地球卫星。按时间先后,我国是继苏、美、法、日之后,世界上第五个用自制火箭发射国产卫星的国家。主要参数:
卫星重量:173千克
卫星外形:直径1米的球形72面体
近地点:439千米
远地点:2384千米
“长征二号”的庞大家族
“长征二号”运载火箭1964年,我国开始研制新型洲际战略导弹,它使中国具备了远程核打击的能力。在研制洲际战略导弹的同时,我国的运载火箭技术研究院开始同步研制“长征二号”运载火箭,并初具雏形。
“长征二号”运载火箭,代号CZ-2,是一枚两级火箭,火箭的一、二级都使用了常温的四氧化二氮和偏二甲肼液体推进剂,其中四氧化二氮是氧化剂,而偏二甲肼是燃烧剂,两种燃料相遇会立即燃烧,称为自燃推进剂。
“长征二号”点火与“长征一号”运载火箭一样,“长征二号”运载火箭二级安装的主发动机,也是以一级75吨发动机为基础改进而来的,利用了一级发动机基本的技术和部件,这也节约了不少研制经费,并且缩短了研制的周期。为了提高火箭二级飞行的灵活性,其游动发动机没有和主发动机共用涡轮泵系统,采用了独立的泵系统,这样,“长征二号”运载火箭游动发动机在主发动机关机的情况下也是能够独立工作的。这对发射卫星的运载火箭来说是特别必要的。
“长征二号”运载火箭一级和二级发动机的研制成功,还有逐渐成熟的一、二级的热分离技术,给我国未来运载火箭的发展打下良好的基础。利用发动机及其组合方式,还有一、二级的热分离技术,加上后来的助推器捆绑技术,形成了我国多型号的“长征”系列火箭大家族。
1974年11月5日,“长征二号”火箭在酒泉卫星发射中心进行了首次发射。由于控制系统的一根导线断裂,火箭在起飞20秒之后,因姿态失控而试验失败。1975年11月26日,“长征二号”火箭第二次发射,并成功将中国第一颗返回式卫星送入预定轨道。后来,在1976年和1978年又分别进行了两次发射,都取得了成功。“长征二号”火箭一共进行了4次发射,除首次发射失败外,另外三次均圆满成功。
“长征二号”火箭发射返回式卫星的成功,使得中国成为世界上继美国和前苏联之后第三个掌握卫星返回技术和航天遥感技术的国家。
“长征二号丙”火箭是在“长征二号”火箭基础上改进设计的,代号CZ-2C。“长征二号丙”仍然是二级火箭,火箭的结构与“长征二号”相同,不过结构质量减小了,发动机经过技术改进,推力提高了,近地轨道运载能力也得到提高,性能更加可靠。
自1975年11月26日首次发射,该火箭共进行了22次发射,均取得了成功。从1980年开始,“长征二号丙”火箭的设计又不断改进,一级和二级分别加长,推进剂加注量也得到不同程度的增加,形成多种技术状态。起飞质量最大达到213吨,最大低轨道运载能力也由“长征二号”的1800千克提高到3000千克。
据统计,仅到2006年年底,“长征二号丙”及其改进型运载火箭就已经连续成功发射25次,将31颗卫星送入了预定轨道,每一次都圆满成功。发射的卫星有返回式卫星、组网的移动通信卫星、科学试验卫星、空间探测卫星、环境卫星、海洋卫星、育种卫星、减灾卫星等。发射的方式也多种多样,有单星发射、双星发射和搭载双星发射,发射轨道也分低轨道、较高的移动通信轨道、大椭圆轨道等。“长征二号丙”及其改进型运载火箭,是目前国内发射次数多、运用灵活、发射可靠、价格便宜、广受用户欢迎、用途广泛的“名牌”运载火箭。
上海航天局在“长征二号”运载火箭的基础上加以改进,加长火箭一级和二级,增加燃料的加注量,提高火箭的发动机推力,形成了“长征二号丁”运载火箭。“长征二号丁”运载火箭,代号CZ-2D,这是一种与“长征二号丙”火箭相似的一种低轨道运载火箭,仍采用两级配置,主要在酒泉卫星发射中心用于发射返回式科学试验卫星。
“长征二号F”运载火箭
“长征二号F”运载火箭是以“长征二号E”即“长征二号捆绑式”火箭为基础,按照发射载人飞船的要求,以提高可靠性、确保安全性为目标研制的。火箭由四个液体助推器、芯一级火箭、芯二级火箭、整流罩和逃逸塔组成,总高度近59米,近地轨道运载能力9.5吨,起飞质量480吨。
“长征二号F”运载火箭有箭体结构、控制系统、动力装置、故障检测处理系统、逃逸系统、遥测系统、外测安全系统、推进剂利用系统、附加系统、地面设备等10个分系统。其中,故障检测处理系统和逃逸系统是其他型号的运载火箭所没有的,只有载人发射的火箭才专门增加了这两个新系统,目的是确保航天员的安全。其作用是在飞船入轨前监测运载火箭的状态,若发生重大故障,可让载有航天员的飞船安全地脱离危险区。
从1992年开始研制的“长征二号F”火箭,可靠性指标达到0.97,航天员安全性指标达到0.997,是目前国内可靠性、安全性指标最高的运载火箭。它曾成功地将6艘“神舟”飞船送入太空预定轨道,发射成功率达到100%,其可靠稳定的飞行性能得到了检验。
为了提高火箭的可靠性,“长征二号F”火箭主要有3个方面的较大改进:
第一,火箭的二级增压管路材料由铝换成了钢,使其在高温下的强度得到提高。
第二,对发动机输送管路上的续压器进行改进,使用了变能续压器,降低了飞行过程中产生的一些接近人体频率的震动,进一步提高了宇航员在舱内的舒适性。
第三,火箭还增加了一台摄像装置,位于火箭二级的尾舱部位。通过它可以从火箭内部观察到火箭一、二级的分离过程,还可以看到二级发动机的工作、点火过程。另外两个摄像头,分别装配在整流罩内和火箭箭体外。三个摄像头一起,向地面传输、显示最直观的火箭飞行状况。
知识点返回式卫星
返回式卫星指在轨道上完成任务后,有部分结构会返回地面的人造卫星。返回式卫星最基本的用途是照相侦察。比起航空照片,卫星照片的视野更广阔、效率更高。早期由于技术所限,必须利用底片才能拍摄高清晰度的照片,因此必须让卫星带同底片或用回收筒将底片送回地面进行冲洒和分析。各个航天大国都曾利用返回式卫星作军事侦察及国土普查用途。现在由于可从卫星上直接传送影像数据到地面,返回式卫星的功能又演变为回收实验品的空间试验室。
跨出国门,走向世界
1990年“长征三号”运载火箭进入国际发射服务市场,首次发射美国制造的“亚洲一号”通信卫星获得成功。从此,中国航天跨出国门,走向世界。“长征三号”系列火箭采用了先进的氢氧发动机技术,先后把10多颗静止轨道通信卫星和气象卫星送上36000千米的赤道上空,令世人刮目相看。其中“长征三号乙”火箭的近地轨道运载能力达到5吨,与世界上著名的大型运载火箭相比毫不逊色。
“长征三号”运载火箭是在“长征二号”运载火箭的基础上研制的,关键技术在于火箭的第三级。第三级火箭首次采用低温液氢和液氧作推进剂,液氧沸点温度在-183℃,液氢沸点温度在-253℃,液氢还具有易燃易爆的特点。在低温状态下,许多金属材料的物理特性和力学性能都发生了变化,因此需要在大量试验研究之后,才能合理正确地选择合适的金属材料。另外,箱体绝热、防爆、防渗、飞行中推进剂的管理、氢渗漏的检查和低温下流量的测量等问题都是需要攻坚的课题。
“长征三号”运载火箭第三级使用的是氢氧发动机,由一个涡轮泵和四个独立的推力室并联组成。在研制过程中,还解决了防雷击、防静电、防电子辐射、放射频干扰的“四防”问题。为了保证发射和飞行的安全,还采取了防漏、隔离、吹除、通气、探测报警和防爆报警六项措施。
1983年10月,经过7年的不懈努力,“长征三号”运载火箭终于完成研制。广大技术人员的共同努力克服了第一次发射的失误,在1984年4月8日19时20分,“长征三号”火箭第二次发射。火箭准时起飞,飞行正常,按照预定程序飞完全程,成功地将我国自行研制的“东方红二号”同步通信卫星送入地球同步转移轨道。
这次发射成功是一个重大胜利,极大鼓舞了全国人民。不久,卫星在地面测控系统的控制下,顺利进入地球同步轨道,在赤道上空指定位置定点成功。由此,中国成为世界上第四个具有发射地球同步轨道卫星能力的国家。美国国家宇航局局长来信祝贺,称这次成功发射是一个重要的里程碑。
1986年2月,“长征三号”运载火箭又一次将一颗实用通信卫星送入所要求的地球同步转移轨道,进一步提高了我国“长征三号”运载火箭的国际声誉。
“长征三号”运载火箭共完成了13次发射。最后一次发射是在2000年6月25日,成功将我国自行设计制造的“风云二号”气象卫星送入同步转移轨道。后来,“长征三号”运载火箭退役,“风云二号”气象卫星的发射任务由“长征三号甲”运载火箭接替。
“长征三号甲”运载火箭
人类一直在不断地拓展空间活动范围,从近地轨道到3.6万千米高度的地球同步轨道,从距地球38万千米远的绕月轨道,再到拜访八大行星,甚至飞出太阳系。每一次飞跃,都大大提高了人类对宇宙的认识,促进了一系列基础科学、科学技术的创新和发展。