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长征三号系列火箭:嫦娥探月工程的幕后英雄!

(2019-02-08 20:26:30)
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长征火箭

嫦娥四号

航天

分类: 航天

今天是我国王牌火箭长三甲成功首射25周年(1994年2月8日)纪念,曾写过一篇科普,今天首次拿出来用以纪念。长征三号系列火箭是我国主力高轨运载火箭,是嫦娥工程、北斗卫星导航系统和几乎每一个高轨通信卫星的运载工具,中国航天几乎所有的最远步伐,都是它们迈出来的。

2018年12月8日凌晨02:23时,嫦娥四号月球着陆器/巡视器组合从西昌卫星发射中心成功起飞,在短短的几分钟内完成了程序转弯、助推器分离、一二级分离后,消失在黎明前的茫茫夜色中,奔向前往月球之路。


长征三号系列火箭:嫦娥探月工程的幕后英雄!

 


长征三号乙火箭发射嫦娥四号时美丽的延时摄影(图自:吕炳宏)

一、嫦娥四号的辉煌

嫦娥四号已经是我国嫦娥探月工程自2003年3月1日启动以来的第6次任务,也是整个工程中绕、落、回三大步骤中“落”这一步的收官之作。作为中国航天科学探索方面的最高成就,嫦娥四号虽原本作为三号备份,却在这次任务中挑战人类探月60年来无人探测的最高难度:降落月球背面。


长征三号系列火箭:嫦娥探月工程的幕后英雄!

 


到嫦娥三号,人类已经在月球正面有过20个着陆器,然而背面为0(图自:Wikipedia)

由于潮汐锁定原因,人类永远无法见到完整的月球背面,这里也由于月球遮挡信号成为航天探测的禁区。人类已有的20个载人/无人着陆器中,无一例外都在正面着陆,而嫦娥四号将会打破人类航天的记录。在此之前的2018年5月21日,为之做通信中继服务的鹊桥号已经成功出发,目前部署在月球背后6.5万千米附近的地月拉格朗日二点的晕轮轨道簇上,也成为人类首例。

可以用一句话来评价这两个任务:“前无古人,引领来者”。

二、长征三号系列王牌火箭

作为整个嫦娥探月工程的绝对主力,长征三号系列运载火箭,成为嫦娥奔月、玉兔飞天的完美托举者。

在我国早期的运载火箭发展过程中,长征一号开创先河、但也很快退役,长征二号成为整个航天大厦的中流砥柱,拥有多种改型,例如我国唯一的载人航天火箭长征2F。这种二级火箭在完成数百千米高的近地轨道任务时得心应手,但到了高至36000千米高的地球静止/同步轨道时则心有余而力不足。

而长征三号系列火箭则是在其基础上升级而来的国之重器。相较长征二号的二级结构,增加了使用液氢液氧发动机的火箭第三级,这是目前成熟化学燃料火箭发动机中比冲最高的,大大提高了运载效率。在1984年首次发射成功后,便成为我国高轨卫星的绝对主力。大家耳熟能祥的北斗卫星导航系统,三代共计47颗卫星,无一不是长征三号系列发射进入太空。


长征三号系列火箭:嫦娥探月工程的幕后英雄!

 


从左至右:长征三号基本型、甲型、乙型和丙型火箭对比(图改自:GW_Simulations)

如今,经过常年成熟发展,长征三号火箭形成了四种主要构型,目前现有长征三号甲、乙和丙三种主要型号服役,以及近10种改进版本。它们的大致区分如下:

  • 基本型是在长征二号基本型上增加第三级而来,已于2000年退役;
  • 甲型相较长三基本型第三级替换为了更加先进的YF-75型液氢液氧发动机,第一级和第二级的发动机也进行全面升级;
  • 乙型捆绑四个助推器,存在多个改进版本(I、II、III、YZ、V等),它们在最大载荷、整流罩尺寸、扩展模式上比较灵活。例如可以携带远征一号上面级的版本,能够实现一箭双星任务。在2018年刷屏的北斗发射一箭双星任务,就是长三乙/远征组合为主力。
  • 丙型捆绑两个助推器,相当于瘦身版的乙型,二者配合能够执行各种载荷的高轨卫星发射任务。

三、长征三号系列火箭助力嫦娥“越来越快”

长征三号甲乙丙三个主力型号和它们的改进,托举出了中国航天高轨和深空探测的今天。以嫦娥探月工程最核心的四次任务为例,它们的情况如下表所示。


长征三号系列火箭:嫦娥探月工程的幕后英雄!

 


长征三号系列火箭:嫦娥探月工程的幕后英雄!

 


嫦娥一号漫长的奔月之旅(图自:Hat600)

长三甲执行嫦娥一号任务时,载荷已经逼近了它的同步转移轨道极限2.6吨,再加上我国航天彼时尚属深空制导与控制首次任务,因而只能选取嫦娥一号在地球附近不断变轨方式,在地球附近“兜”了四圈才前往月球。

而到了几乎与嫦娥一号一样的嫦娥二号发射时,强大的长三丙火箭则可以将其一次性送入地月转移轨道,效率大大提高。但由于嫦娥二号轨道发动机的动力原因,采用多次近月制动,才能达到环月的工作轨道。

到嫦娥三号任务时,任务重量更大,而长三乙改III型当仁不让,直送地月转移轨道。同时由于嫦娥三号自身动力强劲,一次制动即达到了目标。

此次嫦娥四号任务,长三乙改III型宝刀未老。全程仅有一次轨道修正,随着在12月12日嫦娥四号“一脚急刹车”成功入轨,时间比嫦娥三号减少近2个小时,体现的则是我国深空探测、制导与控制的默默进步。

嫦娥探月工程辉煌的背后,是长征三号系列火箭的巨大成功;长征三号系列荣誉的背后,是它三十四年内不断升级的坚持;连续升级数个型号的背后,是中国火箭人努力的日日夜夜。

评价一些人是否优秀,看看他们做过什么,就知道了。

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