长征三号运载火箭

长征三号运载火箭（代号CZ-3；英文全称Long March-3，缩写LM-3^[1]）由中国运载火箭技术研究院研制。长征三号是三级液体火箭，全长44.56米，起飞质量204吨。^[2]主要由一子级、二子级、三子级和卫星整流罩等箭体结构及箭上的推进系统、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等组成。^[10]

该系列火箭的基本型号长征三号，是以长征二号为原型，增加采用氢氧推进剂的三子级而成的三级液体运载火箭。以长征三号型号为蓝本，通过加长贮箱、捆绑助推器等方式，先后衍生出长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙，构成长征三号甲系列运载火箭家族^[1]。

1984年1月29日，长征三号首飞失利。^[6]1984年4月8日，长征三号第二次发射成功。长征三号是为了完善中国的通信系统建设研制的，其搭载的东方红二号卫星发射成功，实现了覆盖全国的信号传输，改变了边远地区通信落后的状况。中国从此告别了只能租用外国卫星看电视、听广播的历史，开始了独立自主研制、发射通信卫星的时代。^[11]

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获得成功，将实践四号科学实验卫星和一颗模拟卫星送入预定轨道，大幅提升了中国地球同步轨道卫星的运载能力。^[12]1997年8月20日，长征三号乙运载火箭第二次发射取得圆满成功，促进了中国航天技术的发展，进一步开拓了国际航天商业发射市场^[13]。2008年4月25日，长征三号丙运载火箭首次发射取得成功，标志着中国运载火箭能力真正形成了系列化。^[14]

20世纪70年代中期，为了完善中国的通信系统建设，促进航天与电子技术的发展，中国决定实施卫星通信工程。长征三号运载火箭作为此工程的重要组成部分之一，于1975年3月经国务院批准立项。^[15]

1975年3月，长征三号火箭正式立项。^[15]

1976年8月，长征三号正式决定采用低温三子级二次启动方案。^[7]

1977年10月，国防科委、七机部召开会议，决定运载火箭研究院负责长征三号火箭的总体设计及第三级火箭的研制。上海机电二局负责一、二级火箭及大部分仪器的研制^[7]

1978年9月12日，氢氧火箭发动机首次50秒短程试车获得成功，1979年的9月12日，首次进行二次启动试车又获得成功，氢氧发动机共进行了130次试车，累计时间32000秒，液氢液氧发动机研制成功。^[16]

1980年12月，长征三号三级低温贮箱成功地进行了联合试验，证明贮箱符合设计要求。液氢、液氧低温推进剂贮箱研究历时三年，先后进行29项250多次试验，获得近两千个数据，确定了绝热材料的配方和加工工艺。^[16]

低温推进剂，指液氢和液氧。液氢有“一低四小”的特点：沸点低（-253℃），密度小，导热系数小，表面张力小和粘滞系数小。氢、氧均为易燃易爆成分。上述特点给低温推进剂的生产、贮存、运输和应用都带来一系列问题。首先，很多金属材料在低温下的力学性能和物理性质都会发生显著改变。其次，液氢贮箱的保温绝热问题十分突出，如果液氢急剧蒸发，会导致贮箱压力快速升高并导致爆炸。最后，在低温推进剂加注时，由于温度急剧下降，管路中的空气会变成固体颗粒。这些颗粒在发动机工作时，一旦摩擦起火将引发整个系统的爆炸。^[17]

1976年秋-1980年底，北京、兰州的多个科研单位联合开展对多种金属、非金属材料低温力学和物理性能的实测工作，选定经过淬cuì火和人工时效的LD10铝铜合金作为氢、氧贮箱材料。^[17]

1976年底，启动绝热系统方案论证。通过绝热工艺、蒸发量和冷冲击试验，确定外绝热结构（在贮箱外表面喷涂聚氨酯泡沫为主的复合材料）方案的工艺和原料配方。截至1981年8月完成贮箱低温综合试验时，已先后进行29项、249次各类试验。为长征三号研制打下重要基础。^[17]

1965年3月，液体火箭发动机研究所启动氢氧发动机预先研究工作。1971年1月，成功进行首次氢氧发动机燃烧试验。1974年3月，中国首台液氢泵半系统试验获得成功。截至1979年5月，氢氧发动机已进行多次试车，验证了方案可行性。当年9月，氢氧发动机首次额定工作时间的二次启动试车获得成功。至1983年3月，先后试车100余次，累计工作时长3万多秒。在此过程中，研制人员先后解决高速轴承强度不足、液氢泄露起火、燃气发生器烧穿、涡轮泵共振和发动机缩火等问题，成功掌握氢氧发动机技术。^[17]

长征三号的箭体结构较之于之前的型号更长更重，纵向频率降低且与推进剂输送系统接近，容易诱发POGO。通过管路系统水力试验、试车台加激振水试验和介质试验以及不加激振的发动机热试车。提出在一、二子级氧化剂系统加装泵前蓄压器的方案，经飞行试验验证效果良好。^[17]

长征三号的细长比大，低频振动问题突出。自1978年3月开始，对以下三个项目展开重点研究。1.陀螺平台的低频减振。上海仪表厂历时17个月，研制出冲击位移小、吸收冲击效果好的新型减振器。2.仪器设备低频环境的改善。采用复合材料组成的约束阻尼结构，改善了仪器舱的低频振动环境。3.推进剂输送系统自振频率控制。^[17]

1983年10月，执行首次轨道飞行试验任务的两发长征三号火箭出厂，通过铁路运抵西昌卫星发射中心。火箭在技术阵地经过35天的各项检查和测试，转入发射阵地。几次总检查和全区发射合练均正常进行，首飞时间定于1984年1月26日。^[18]

发射当天，当一、二子级常温推进剂和三子级液氧加注完毕后，发现火箭的稳定系统偏航通道放大系统有问题。由于发射窗口限制，留给地面人员的排故时间只有90分钟。经过评估，决定推迟发射。此后，火箭陆续完成液氢泄出、星箭分解等步骤，于次日下午完成惯性平台更换。^[18]

1984年1月29日，长征三号首飞。因三子级二次点火时间未达到预定要求，卫星未进入预定轨道，而是进入一个高度为400千米的近圆形停泊轨道。按照试验大纲第二预案，长征三号首次发射只取得了部分成功。^[18]

1984年4月8日，长征三号运载火箭再次发射，成功地将东方红二号试验通信卫星发射到地球同步转移轨道，然后经过8天的测控，按预定程序调姿漂移，4月16日卫星定点于东经125度赤道上空，并成功进行了通信、广播和电视传输。^[19]

长征三号是一种三级液体火箭， 由一子级、二子级、三子级和卫星整流罩等箭体结构及箭上的推进系统、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等组成。^[10]

箭体结构一方面承受载荷一方面又起着支承各个系统的作用，将它们连成一个整体。控制系统、遥测系统和外测安全系统的仪器主要安装在仪器舱内，也有少部分仪器根据需要分布于尾段或箱间段。^[10]

长征三号火箭的结构包括一子级、二子级、三子级和整流罩。主要结构材料是 LD10铝合金。^[20]

长征三号一子级结构由尾翼、尾段、后过渡段、燃料箱、箱间段、氧化剂箱、级间段和导管、阀门等组成。后过渡段、燃料箱、箱间段、氧化剂箱以及导管、阀门等均与长征二号丙的相应部分相同。^[20]

级间段包括筒段与杆系结构两部分。杆系由24根斜杆和上、下对接框组成。长征三号的斜杆比长征二号丙的少8根，相对来说其抗扭刚度高了，但减弱了抗弯曲能力。^[21]

氧化剂箱和燃烧剂箱均为承力式贮箱。除燃烧剂箱后底外，形状基本相同，均由椭球形箱底（燃烧剂箱后底半锥角为50°的锥形底)、箱筒段，前后短壳及箱内防晃板、防旋器、增压溢出管等组成。^[22]

氧化剂箱和燃烧剂箱之间的承力壳段，是以桁条为框架，铆接蒙皮而成的圆柱形壳体。壳体上开有设备检查窗。^[22]

位于尾段和燃料箱之间的过渡壳段。飞行阶段，承受发动机架传来的集中力；地面阶段，起到4个发射支点集中力的过渡和扩散作用。由4块高强铝合金整体加强肋化铣壁板焊接而成。^[22]

尾翼平面为直角梯形，翼根弦长2.2米，翼展1.4米，变厚度楔形双梁蜂窝夹芯结构。^[20]

以桁条为框架，铆接蒙皮而成的圆柱形壳体。底部有玻璃钢防热板和硅橡胶防热软裙。为提高火箭飞行稳定性，长征三号/三号甲因增加四个尾翼修改了相应结构，将发射指点由长征二号丙的尾段上方，改为尾段下端。通过在尾段壳体表面设置8根大梁，与尾段上端4个前接头和下端4个支撑块，构成完整的承、传力结构。^[20]

二子级结构由燃料箱、箱间段、氧化剂箱、级间段及导管、阀门等组成。其中燃料箱、箱间段和氧化剂箱的结构与长征二号丙相应部分相同。^[23]

二子级的级间段是截锥形的半硬壳式结构，外表面粘贴了一层301软木防热层。它既是连接二、三子级的承力结构，又是三子级的发动机舱。^[23]

形状基本相同，都是薄壳承力结构。由箱筒段、椭球形箱底和前后短壳以及箱内防晃板、防旋器、增压溢出管等组成。为隔绝三子级低温推进剂对氧化剂箱的影响，在其前底加装绝热帽。^[22][23]

结构形式以及外形尺寸与一子级箱间段相同。壳体内璧装有多个遥测、外测系统仪器，壳体上开有设备检查窗。^[22]

三子级结构由转接锥、有效载荷支架、仪器舱、共底绝热贮箱及阀门、导管等组成。^[23]

长征三号的转接锥有 A、B 两种型号。A 型用于发射国内卫星，锥高680毫米，与卫星接口尺寸为Φ872毫米；B 型用于发射外国制造的卫星，锥高300毫米，与卫星的接口尺寸是国际上通用的标准接口Φ937毫米。两种型号的转接锥下对接框都是与有效载荷支架相连，对接尺寸为 Φ1036毫米。上对接框通过包带与卫星的对接框相连。^[24]

有效载荷支架是截锥形壳体，铝蜂窝夹芯结构。高度为740毫米，下端框与仪器舱相连。由于惯性平台安装在壳体内部，壳体上开有160毫米×160毫米的方孔，便在发射时通过它以及在整流罩倒锥段开的透明舱口使发射场的瞄准设备与惯性平台上的棱镜通视，以瞄准射向。^[25]

仪器舱位于贮箱上端，与卫星、转接锥和有效载荷支架一起，被罩在整流罩之内。仪器舱由截锥形壳体、环形盘、井字梁和支撑杆组成。其中，截锥形壳体采用蜂窝铝结构；环形盘采用约束阻尼复合板，为提高刚度并减轻结构质量，冲有若干减轻孔；井字梁以工字钢构成，具有很高的强度和刚度。仪器舱和液氢箱之间有一层隔离膜，防止氢气进入舱内。^[26]

三子级贮箱为共底贮箱，上箱贮存液氢，下箱贮存液氧。^[23]贮箱外表面包覆绝热层，导管也采取绝热措施。液氧箱由后短壳、后底、圆筒段和共底组成。液氧输送口处装有消漩器。圆筒段为化铣网格结构，筒内装了环形防晃板，以抑制液氧的晃动。此外箱内还装有测量液位和温度的传感器。液氢箱由共底、圆筒段、前底和前短壳组成。圆筒段由4个筒形壳段组焊而成。筒内分三层共装，有6块扇形防晃板及一个环形防晃框，用以抑制晃动，还装有破坏液氢温度分层的环形结构。整个贮箱外表面喷涂聚氨酯泡沫为主体的多层绝热结构。^[27]

整流罩的作用是保护有效载荷不受气动力和气动热的破坏，并使卫星处于洁净环境之中。由玻璃钢端头、非金属蜂窝双锥段（采用透波材料）、金属蜂窝的圆筒段和化铣倒锥段组成，成品为独立半罩结构，由爆炸栓连接成整体，由罩内分离弹簧提供分离力。^[28]

长征三号的推进系统由一、二、 三子级的推进系统组成。推进系统由火箭发动机和增压输送系统组成。长征三号的一子级、二子级推进系统基本与长征二号丙一致。^[29]

一子级发动机YF-21B（前10发长征三号采用YF-21）由4台独立的单机YF-20通过机架并联组成，每台单机可作切向摆动以提供火箭的控制力矩，最大摆角±10°。四台发动机由共用的推进剂贮箱和通过各自管路活门进行输送。贮箱采用四氧化二氮蒸发器（氧化剂系统）/降温器（燃烧剂系统）自生增压方案，保证发动机正常工作所需的泵口压力。^[22]

二子级发动机YF-24由主发动机和游动发动机组成。主发动机是一台大推力火箭发动机，固定在机架中央；游动发动机是由共泵的4台推力室通过机架组合而成，可作切向±60°的摆动，提供火箭所需控制力矩。主发动机关机后，游机将继续工作一段时间。主机的增压系统和一级相同，游机无自生增压，滑行段增压由主机工作段增压的气体膨胀来保障。^[22]

主机的各系统和一级YF-20相同，游机主系统是由启动活门(和主机共用)、泵节流圈、推力室及导管组成。游机副系统是由过滤网、汽蚀管、燃气发生器、涡轮、排气管、小喷管及导管等组成。^[22]

三子级推进系统由YF-73氢氧发动机、 输送系统、 增压系统、推进剂管理系统和其它系统组成。^[30]

YF-73氢氧发动机是长征三号的三子级发动机。采用燃气发生器循环系统，由一台涡轮泵供应四台推力室，液氢泵和液氧泵均为一级离心泵，涡轮为一级冲动式涡轮；发动机具备二次启动能力，涡轮泵依靠气瓶起动、推力室依靠火药点火器点火。^[30]

输送系统包括液氧系统和液氢系统两部分，其主要功能是在发射准备时，在液氧箱的安全溢出阀门和液氢箱的放气阀门打开的状态下，通过加注阀门和加注液位指示器，分别对液氧箱和液氢箱进行加注 （ 或泄出） ；在飞行中则通过装有漩涡消除器的贮箱出口和输送管向发动机输送液氧和液氢。^[30]

增压系统的功能是对液氧箱和液氢箱进行增压。主要用于在发动机第一次程序预冷导致贮箱气枕压力下降和因自生增压的气体在滑行段温度下降引起贮箱压力降低的情况下补压。^[30]

推进剂管理系统的动力部分是 FY-81无水肼jǐng发动机。FY-81发动机全部安装在三子级发动机的机架上，工作时高压氦气通过减压器挤压无水肼贮箱内的橡胶囊，使无水肼冲破贮箱出口处的破裂膜片，分别流至12个电磁阀的入口处。当电磁阀受控制系统的指令打开时，无水肼即进入喷管头部，与那里的催化剂起反应，产生高温气体。气体从喷管排出产生推力。^[30]

基于液氢、液氧的低温易爆特点，三子级上还设有排 气系统及吹除和气封系统。排气系统由液氧箱的安全溢出阀门、液氢箱的放气阀门和保险阀门以及相应的导管组成。吹除和气封系统由脱拔插头、导管和限流嘴组成。防止氢气聚集和防止空气及其中的水气通过排气管进入排气阀门而导致阀门冻死。^[30]

长征三号的制导系统采用平台——计算机方案。但在不同飞行阶段采用不同的制导方式：一子级采用射程关机，以控制落区范围；二子级&三子级第一飞行段，均采用速度关机；三子级第二飞行段采用绝对定时启动、半长轴关机，分别起到控制幅角和半长轴偏差的作用。末速修正采用视速度增量关机。^[31]

当火箭的正常关机出现故障时，采用下列保护措施： 第一级用耗尽关机；第二级采用判别 X向加速度计输出脉冲个数进行关机；第三级第一飞行段采用定时关机；第三级第二飞行段采用判别 Y 向加速度计脉冲个数进行关机；末速修正段采用定时关机。^[31]

姿态控制系统采用平台速率陀螺网络、摇摆发动机控制方案，由三轴稳定平台、 速率陀螺、 变换放大器、 开关放大器和伺服机

构等组成。^[31]

三轴稳定平台感应箭体姿态角和由弹性振动引起的附加姿态角，俯仰通道还接受由计算机发出的俯仰程序指令。速率陀螺感应箭体姿态角速度和因箭体弹性振动引起的附加姿态角速度。变换放大器由检波器、 校正网络和综合放大器组成。检波器将平台和速率陀螺输来的交流信号解调为直流信号，送至校正网络进行整形和滤波，最后送至综合放大器进行放大。伺服机构是姿态控制系统的执行元件。它带动发动机偏摆，以产生控制力矩。^[31]

遥测系统采用两种遥测设备：一子级装一套硬回收磁记录器（自第11发长征三号起取消该设备），二、三子级各装一套大速变遥测设备。三子级还有一套P波段信标机，用于向地面站提供自动跟踪信号。^[31]

长征三号系列火箭将外测系统和安全系统合并。外侧系统由无线电跟踪和遥控安全两部分组成。其中，无线电跟踪系统由地面单脉冲雷达/连续波雷达和箭上应答机组成。实时向地面提供火箭实际飞行弹道和遥控安全判断信息。当火箭偏离正常飞行状态，危及地面安全时，地面指挥部门综合遥测数据做出判断，发出“自毁”指令将火箭炸毁在空中。安全系统由地面遥控雷达和箭上遥控安全指令接收机组成。有两种自毁方式：一种即遥控安全自毁，另一种是箭上自主自毁。当火箭偏离正常飞行状态，导致姿态超出允许值时，箭上安全系统发出自毁信号，将火箭炸毁在空中。^[32]

20世纪80年代中期，由于中国经济建设的快速发展，原第一期卫星通信工程已经不能满足中国卫星通信事业的需要。为此，1986年2月中国决定开展第二期卫星通信工程，需要与之配套的性能更好的运载火箭。^[33]1982年4月到1985年9月，中国航天人相继提出《长三甲火箭方案论证及运载火箭规划》《关于长三甲火箭研制方案的报告》等专题技术论证资料。原航天工业部于1985年9月18至19日把长三甲火箭提到议事日程，讨论了长三甲火箭技术指标和技术途径问题。1986年2月28日，原航天工业部向国务院上报了《关于加速发展航天技术的报告》，提出开展长三甲火箭、东方红三号通信卫星、风云二号气象卫星、资源一号探测卫星的研制。1986年3月31日，国务院以“国发1986年41号”文件转批全国各省市、自治区，同意航天工业部提出的“一箭三星”规划，命名为“862”工程。5月3日，国防科工委发出《关于迅速开展广播通信卫星工程研制建设工作的通知》，长三甲火箭发射在东方红三号卫星被根据这些决定，航天科技集团公司中国运载火箭技术研究院1986年秋初步组建了长三甲火箭研制队伍，拉开了长三甲火箭研制工作的序幕。^[34]

长征三号甲系列采用“上改下捆、先改后捆”的系列化发展思路。通过改进三子级和捆绑助推器，先后衍生出长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙三个型号，统称为长征三号甲系列，是第一代长征火箭家族里高轨道卫星发射的主力。^[35]

长征三号甲的一、二子级基本上与长征三号的一、二子级相同，只是结构尺寸有某些改变，如尾翼加大，贮箱增长等。三子级采用了许多先进的技术，如数字化、小型化的控制系统、四框架挠性平台、大推力氢氧发动机、冷氦增压系统、推进剂利用系统和用氢气气动机作动力的伺服机构等。^[36]

长征三号甲于1994年2月8日首飞，成功将实践四号卫星和夸父一号模拟星送入预定轨道。主要承担东方红三号通信卫星、风云气象卫星、北斗导航卫星和嫦娥一号月球环绕器的发射任务^[3]。

长征三号乙以长征三号甲火箭为芯级，捆绑4枚2.25米直径助推器的改进型号。^[4]

长征三号乙于1996年2月15日首飞，因惯性基准倾斜导致星箭俱毁^[37]。复飞后多次承接商业卫星发射服务，先后发射委星1号、巴星1R、尼星1R、W3C、亚太七号、中星十一号、中星十二号、玻利维亚星等中外通信卫星和嫦娥三号/四号着巡组合体。^[4]

长征三号丙在长征三号乙火箭基础上减少对侧2枚助推器而成的改进型号。^[5]

长征三号丙于2008年4月25日首飞，成功将中国首颗数据中继卫星天链一号01星送入预定轨道^[38]。主要承担天链一号卫星、北斗导航卫星、嫦娥二号月球环绕器和探月工程三期再入返回试验器^[39]的发射任务。^[5]

2007年6月15日，长征三号甲火箭被中国航天科技集团公司授予“金牌火箭”称号。^[47]

“长征三号的研制成功，在经济、国防及科学技术上都具有重大意义。它为我国发射同步定点通信卫星、电视广播卫星、气象卫星、资源普查卫星等创造了条件，将对我国的通信、宣传、文化教育事业技术手段的现代化发挥巨大的作用。”——《当代中国的航天事业》^[18]

“长三甲系列火箭运载入轨精度高、适应能力强，其发射卫星的入轨精度与阿里安、宇宙神等世界知名火箭相当。其运载能力可以覆盖世界绝大多数应用卫星的质量，不仅显著增强了中国火箭在国际商业卫星发射服务市场上的竞争能力，也为中国未来航天事业的发展创造了良好条件。”——长三甲系列火箭总指挥岑拯^[48]

“25年，100次发射。翻开历史画卷，不难发现，在一次次技术创新中，长三甲系列运载火箭开创了我国航天史上多个“首次”。这些新技术不仅代表着当时国内的最高水平，许多还达到了世界一流技术水平。”——《中国航天报》^[49]

“（长征三号乙）不仅有效提高了长征三号系列火箭高轨道的运载能力，还形成了完整系列。”——《导弹与航天运载技术》^[50]

“长征三号丙的成功研制，使中国运载火箭的地球同步转移轨道运载能力得到补充和加强，不仅满足发射大型通信卫星的需要，也提高了中国火箭的适应性，增强了中国运载火箭在国际商用发射市场上的竞争能力。”——《中国航天》^[51]