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4月20日深夜,我国在西昌卫星发射中心用长征三号乙运载火箭,成功发射第44颗北斗导航卫星。这是北斗三号系统的首颗倾斜地球同步轨道卫星。这次发射创造了中国航天史上又一项纪录:长征三号乙(简称“长三乙”)和“哥哥”长征三号甲(简称“长三甲”)、“弟弟”长征三号丙(简称“长三丙”)组成的长征三号甲系列火箭,共完成100次发射,成为我国第一个发射任务次数过百的单一系列运载火箭。在“三化”设计理念的指导下此次发射成功后,中国工程院院士、中国航天科技集团一院长征系列运载火箭高级顾问龙乐豪感慨万千,他用“长征骄子创新担大任”总结了长三甲系列火箭25年的发展历程:“在长征系列火箭中,不论是从设计之初的顶层规划及总体技术方案的前瞻性、全局性、适应性,还是从技术先进性以及所承担任务的重要性来说,长三甲系列火箭都是当之无愧的佼佼者。”长三甲系列火箭始终贯彻“系列化、组合化、通用化”的“三化”设计理念,即将长三甲、长三乙、长三丙作为一组系列火箭进行模块化、组合化与整体化优化设计。其中,长三甲火箭是在长征三号火箭的基础上重新设计第三级形成的大型三级低温液体火箭,全长52.5米,一、二子级直径3.35米、三子级直径3.0米,地球同步转移轨道的运载能力达到2.6吨;在长三甲火箭的芯一级捆绑4个2.25米的助推器,就派生出长三乙火箭,它全长55米,GTO轨道运载能力达5.1吨,当时位居世界第二位;在长三甲火箭的基础上捆绑两个2.25米助推器,又组合成长三丙火箭,地球同步转移轨道的运载能力可达3.9吨。“三化”设计理念对长三甲及其发展型火箭的形成和大型火箭的发展规划起到了重要的指导作用。如今,作为长征系列运载火箭高强密度发射的主力,长征三号甲系列火箭是我国目前高轨道上发射次数最多、成功率最高的。北斗工程从一期到三期,探月工程从嫦娥一号到嫦娥四号,全部由长三甲系列火箭实施发射,截至目前,共将48颗北斗导航卫星、4颗嫦娥探测器成功送入预定轨道,为我国未来航天事业的发展创造了良好条件。众多“首次”不断刷新纪录25年的100次发射,使得长三甲系列火箭无论从技术、管理、研制生产能力和各项保障上都创造出许多首次,不断刷新着自身的纪录。为使系列火箭的总体技术性能达到国际一流水平,在继承成熟技术的同时,研制人员在设计中采用了60%至70%的新技术。其中,重要技术共108项、重要技术创新项目22项、重大关键技术项目4项。例如,YF-75氢氧发动机是重新设计用于三级的氢氧发动机,经过艰苦扎实的工作,研制人员攻克了一道道技术与工艺难题,发动机的结构可靠性首飞时已经达到0.97;动调陀螺四轴平台的研制成功,是我国近20年来在火箭惯性器件方面的一项重大突破;而低温氢气能源双向摇摆伺服机构,采用低温氢气气动机作为伺服机构的一次能源,不仅为国内首创,在国外也未见先例。随着中国探月工程和北斗导航工程的立项研制,长三甲系列火箭迎来了更大的挑战。探月工程发射任务实现了火箭“零窗口”“多窗口”发射技术、地月转移轨道发射技术等突破,拓展了长征火箭的发射能力,为后续深空探测打下坚实基础。在发射北斗卫星的过程中,更是突破了以中圆转移轨道设计、起飞滚转、高空风双向风补偿等为代表的多项关键技术,为工程建设作出突出贡献。由于采用环保高效且技术难度大的液氢/液氧推进剂,长三甲系列火箭三子级的比推力堪称世界一流。所谓比推力,就是火箭在单位时间内消耗单位推进剂所产生的推力。衡量一型火箭是否先进,还有一个关键指标——有效载荷系数,即火箭运送卫星的重量除以它的起飞重量得出的系数。“就像两个举重运动员,举的重量一样,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。当时长三甲的有效载荷系数位居世界第三。”龙乐豪说。“三兄弟”勇闯国际市场长三甲火箭立项之初的目标本是实施我国第二代卫星通信工程,然而,以龙乐豪为代表的第一代研制人员却把目光瞄向了更大的市场,计划在国际发射服务市场大干一场。“我国早在1985年就提出,要把长征火箭投入到国际市场,这给我们指明了方向。”龙乐豪回忆,当时长三甲火箭的目标运载能力是2.5吨,与国际发射服务市场还有较大差距,于是他和同事们想到了一个好的技术解决途径——“上改下捆,先改后捆”,即先研制出一个基础型号长三甲,然后通过捆绑不同数量的助推器,使火箭在地球同步轨道的运载能力从2.5吨延伸到5.5吨,形成一个布局合理的火箭小家族,以满足国际上大多数卫星的发射需求。“‘三兄弟’中,‘大哥’长三甲体力最小,‘二哥’长三乙力气最大,‘三弟’长三丙次之。所以,你想打什么样的卫星,都没问题。”龙乐豪打趣道。截至2018年12月,长三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,全部取得圆满成功。其中,鑫诺一号卫星的发射服务项目使长三甲系列火箭打开了欧洲市场;在尼日利亚卫星项目中,首次实现了整星出口,首次以在轨交付方式为国际用户提供宇航系统集成的一揽子服务;通过“老挝一号”卫星发射任务,型号研制队伍探索出一条从航天制造、发射、地面保障到系统应用的全产业链一站式服务之路。时代在进步,技术在发展。未来随着火箭的更新换代,长三甲系列也终将退出历史舞台,衍生出新的型号。龙乐豪表示:“青出于蓝而胜于蓝,相信它的后续型号一定能够继承发扬长三甲系列的优良基因,充分汲取新一代火箭的新成果,从‘中国的金牌’创新发展成‘世界的金牌’。”显然,里程碑式的第100次发射,是长三甲系列火箭以及中国航天人新的起点。(本报北京4月20日电本报记者张蕾本报通讯员王涑)

就这样,长三甲家族形成了三兄弟,将“嫦娥”,“北斗”,“风云”等著名的中国航天器以及诸多国外卫星送入太空。

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为了这些为什么,龙乐豪和研制人员点着蜡烛开着应急灯,连夜开始寻求答案,有人说,龙乐豪在那一夜之间白了头。

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而对于长三甲系列火箭的未来,龙乐豪坦言,长三甲系列一定会被替代,研制运载能力更加强大的火箭,将更大更重的航天器送到更加遥远的太空,依旧是中国的火箭研制人员不懈追求的目标。

直到今天,长三甲系列火箭的发射成功率达到了98%,它超前的设计理念也引领着中国新一代运载火箭的成长。

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龙乐豪:为发射“一夜白头”

上世纪70年代,研制人员开始努力研发能把卫星发射得更远的火箭——这就是长征三号。当时担任总体主任设计师的龙乐豪告诉我们,发射的第一目标就是一条特殊的轨道——地球同步转移轨道。

龙乐豪院士:我们的火箭率先采用低温高能液氢液氧作为末级推进剂的火箭就长征三号,它的运载效率比较高。

龙乐豪院士:长征三号甲当初开创的“三化设计”这样一个理念。今天实际上我们在按照新一代的长征系列火箭的研制过程当中,基本上都得到了比较好的贯彻和继承和发扬。

1984年,长征三号火箭第一次把东方红通讯卫星送到了地球同步转移轨道。

龙乐豪院士:我们国家进入了一个经济的快速发展的时代,对航天事业的需求就更加大了。第二个意味着我们国家的航天基础设施已经有相当的水平。我们每次发射都是如履薄冰,一定是认认真真严慎细实,争取每一次发射都能够圆满成功。

龙乐豪院士:在90年代初期,我们就已经突破了并联技术捆绑技术,第二个是“弟弟”长三乙,它个最大、它运载能力最大,它下面捆了4个助推器,第三个叫“小妹妹”,叫长三丙,它是捆两个助推器,地球同步转移轨道能力,从2.5吨到接近4吨或3.9吨,一直到5.5吨

而到了1986年,我国又提出了新的通讯卫星工程计划——“862工程”,要发射更大更重卫星,这对长征三号的研制人员来说,又提出了新的要求。

龙乐豪院士:应该说那一夜挺难煎熬的,工作就是数据、数据,整理数据、分析数据。一夜间急白了头,多少有点文学的夸张,说那个时候就更加加深了头发雪白的转变,这倒是真的。

龙乐豪院士:替代长征三号甲系列火箭的已经准备好了。长征八号、长征五号,这都是替代的,不但是替代,而且大大超过了。长三甲它一些成功的这些基因,我希望是进一步的把它继承,而且发扬,这个我相信是完全可以做得到的。

这样煎熬的夜晚,研制团队一过就是三十几个,而找到的原因更是让所有人震惊。

龙乐豪院士:“862工程”是1986年2月份里启动的一个工程,在干什么? 就我们国家的通讯卫星第二代通讯卫星工程。就是说这个卫星的重量由原来的1.4吨一下子长到了2.5吨,今天我们长征三号甲这个火箭,是这样的一个背景下产生的。

龙乐豪院士:因为1996年的2月15号,因为当时经过辛苦的努力,因为我们好不容易赢得了一个国际通讯卫星组织的发射服务合同,发射一个美国人的卫星。是我们这个火箭系列,第一是发射外国人卫星,那么全世界直播。发射前当然充满着信心的,那完全有数,没数不敢随便发射的。按规定应该是12秒钟拐弯,最后一起飞以后它3秒钟就开始拐了,就慢慢歪了。到了6秒钟的时候已经歪过那个,通过那个发射塔的顶上了。连续我就问了为什么?为什么?为什么?从那个时候一直在思索,设计错误吗?还是制造缺陷,还是别的什么原因?一切赶快把原因查出来。

长三甲优秀“基因”的“传帮带”

长三甲系列的模块化、通用化、组合化的设计,在长征五号、长征七号等一批我国新一代运载火箭当中得到了继承。

龙乐豪院士:一个制造的工艺质量大概有缺陷。两个不同的金属焊在一块,直径多少呢?只有我们头发的几十分之一,起飞之前三秒钟就已经有脱开的迹象,火箭一点火、一振动,很快这个导线,这个结点就开了 这根导线如果它再延长1500秒再坏,也就是25分钟左右,这一次发射是绝对的非常漂亮的、圆满的成功,很遗憾的是它就差这么1500秒左右。 失败,就是差一点的成功,成功就是差一点的失败。

模块化、通用化、组合化的设计,这种能够胜任高密度发射的能力,在近年来越来越密集的发射中体现出来,去年长三甲系列完成了14次发射任务,而今年,依然要进行10多次发射。

航天科技集团一院高级顾问 长三甲系列火箭首任总指挥兼总设计师 龙乐豪院士:发射一个通讯卫星到36000公里高度上去。这个轨道非常重要,这个资源很紧缺。世界上当时能够发射这样卫星的国家,一个是苏联,另外一个就是美国,还有第三个那就是欧洲,是十五六个国家组成的。

卫星发射到离地球3.6万公里,相对地面上的人来说,看上去就像是静止不动一样,这是气象卫星和通讯卫星最好的轨道。具备发射这个轨道的能力,不仅意味着进入国际航天发射的第一梯队,也对国民经济建设有着直接的作用。

1994年,长三甲火箭首飞成功。接下来,为了适应不同的发射需要,除了长三甲外,通过配置不同的助推器和相应的改进,长三甲家族还发展出了两位后起之秀。

1996年2月15号的这次发射失败,给了当时的中国航天一次巨大的冲击。然而,就在这次失败以后,长三甲系列火箭进一步总结经验,也逐渐成熟,在后来的发射中保持了连续76次成功,创造了世界单一型号火箭连续发射成功的记录。

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长三甲系列火箭由长三甲、长三乙和长三丙组成,他们都是在长征三号火箭的基础上发展起来的。今年81岁的龙乐豪院士,是这型火箭的首任总设计师,龙乐豪院士为我们介绍了长三甲的前世今生。

随着发射需求的不断增加,凭借着完整的家族谱系和成熟的批量生产能力,长三甲系列已成为目前我国最繁忙的火箭。而如此多的发射任务中,却有一次让长三甲系列火箭首任总指挥兼总设计师龙乐豪院士,还有很多航天人都留下了刻骨铭心的记忆。

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