导弹与航天运载技术
MISSILES AND SPACE VEHICLES
1999年 第1期　No.1 1999



小型运载火箭的中兴及长征一号丁新火箭
韩厚健
　　摘要　总结40年来小型运载火箭系统的兴衰及近年走向中兴的历史经验，论述属于高技术产品的空间运输系统，同样要遵循所有运输系统的普遍规律――依照所运载货物（空间飞行器）的大小和特点，合理配置大、中、小型火箭，不可偏废其中任何一种。同时介绍中国新的长征一号丁（CZ-1D）小型运载火箭的总体方案、主要系统、参数及运载能力。
　　主题词　运载火箭，运输适应性，卫星发射，中国。
The Resurgence of Small Launch Vehicle 
and the New Long March 1D(CZ-1D) Rocket
Han Houjian
(Beijing Institute of Astronautical Systems Egineering,100076)
　　Abstract　On the basis of summarizing the history of small launch vehicles in 40 years,it is pointed out that in development of launch vehicles,rockets with different capacities,i.e,large, medium and small rockets should be developed reasonably according to the sizes of payloads,and none of them should be neglected .The system concept,main sub-systems,parameters and capacity of China′s new LM-1D(CZ-1D) small launch vehicle are also introduced.
　　Key Words　Launch vehicles,Vehicle transportability,Satellite launching,China.
1　前　言
　　通常把起飞质量几十到百余吨的空间运载火箭称作为小型运载火箭（Small LaunchVehic1e，简称为SLV ）。从1957年10月到1996年6月，全世界共进行3 776次成功的空间发射，入轨航天器总数为4 779个,其中使用SLV约1 038次（占27.5％），送入轨道的小型航天器约1 400个（占29.3％）。这些数字表明，SLV是空间运输系统中不可轻视的重要组成部分。但几十年来SLV经历了从兴旺、衰落到中兴的曲折过程。本文试图通过SLV的历史回顾，分析新一代SLV的前景和发展中应该注意的问题。
2　小型运载火箭的兴衰
　　如果以起飞质量135 t作为小型、中型空间运载火箭的分界线，那么到现在为止，世界上8个有空间发射能力的国家已经发射了18个系列的小型运载火箭。按它们发射成功数量排序，列前5位的是：
　　a) 宇宙2号（KOCMOC 2,前苏联。1964～1996年，成功发射413次）；
　　b) 雷神系列(Thor,美国。1958～1976年，成功发射202次)；
　　c) 宇宙1号(KOCMOC 1,前苏联。1962～1975年，成功发射144次)；
　　d) 德尔它系列(Delta,美国。1960～1981年，成功发射133次)；
　　e) 侦察兵系列(Scout,美国。1961～1994年，成功发射87次)。
　　除此之外，还有中国的长征一号，日本的L,M,N系列，法国的钻石系列，印度的卫星运载火箭系列，以色列的沙维特，英国的黑箭，美国的先锋号，丘诺系列以及近年来新投入使用的美国飞马座、金牛座和俄国的起飞1号（CTAPT 1）。
　　 图1是上述火箭1957～1996年历年成功发射的记录。从图中可以看出，经过空间时代初期的发展，小型运载火箭在六七十年代进入鼎盛时期。1962～1978年，每年总发射成功数量都在30次以上(1970年，1971年达到最高52次和54次)。80年代开始，SLV发射势头减弱。1986年以后降低到10～15次／年，近几年更是降到10次／年以下。什么原因造成这种结果?下面分两个阶段予以说明。


图1　1957～1996年小型运载火箭成功发射记录
说明：总数中包括日本的26次；法国的10次；印度的4次；以色列的3次；
中国的2次；英国的1次；共46次。
2.1　小型运载火箭的兴起和发展
　　航天技术在50年代发生了质的飞跃。二战后不久开始的美、苏两个大国之间的冷战对峙，促进了弹道式火箭-导弹武器的发展。1957年10月4日，导弹技术处于领先地位的苏联人，抢在美国之前，用P-7洲际弹道式导弹发射了第1颗人造地球卫星，开创了人类征服宇宙的新纪元。落后的美国人，急忙把尚在研制中的丘辟特(Jupiter)液体中程导弹，加上3个微型固体火箭，组成了一个28.5 t的丘诺1(Juno1)四级火箭，于1958年2月1日将第1颗重8.22 kg的人造卫星探险者1号送上了天。在随之而来的美、苏空间竞赛的强烈刺激下，研制速度快、反应灵活的小型运载火箭,在美国、前苏联、法国、日本、中国等国家里，一个个相继问世了。
　　无论是前苏联还是美国的SLV，多数都是以液体中程导弹为基础发展起来的。如前苏联的宇宙1号和宇宙2号是以德维娜(P-12)和秋索瓦(P-14)导弹为基础。美国的雷神系列和丘诺系列火箭，也是以雷神丘辟特导弹为基础，加上不同的上面级火箭组成的。这样做不仅争取了时间，而且省力、省钱，对稳定火箭产品质量和提高火箭发射可靠性大有好处。
　　美、苏的SLV，经过50年代末、60年代初的试用和完善，从1962年和1965年相继进入稳定的批量发射阶段。到70年代末的十几年间，它们以95%以上的发射成功率，发射了各种类型轨道(近地轨道、太阳同步轨道、地球同步轨道、大椭圆轨道和日心轨道)的卫星并多次以一箭多星方式完成卫星组网，为航天技术发展积累了丰富宝贵的经验。它们发射了几百颗小型科学卫星，精确测量了地球大小、形状和重力场，查明了地球、月球周围的空间环境（高层大气密度和温度、地磁场、辐射带等）和通向月球的航道，为以后的大型应用卫星、宇宙飞船和登月飞行，提供了准确的环境参数、设计和运行经验。它们还发射了大量应用卫星，试验并建造了早期军用、民用的气象、导航、通信、对地观测（侦察、资源普查、核爆炸监测）等应用卫星系统，在军事、经济、政治上为人类社会进入空间时代发挥了重要作用。
2.2　小型运载火箭的衰落
　　1980年，各国发射成功的SLV年总数量首次降低到20次以下。除前苏联、日本、印度、以色列外，80年代其它国家的SLV是江河日下、一蹶不振。曾经在1964年创造过37次／年SLV发射成功记录的美国，1980年、1982年、1989年的记录居然是零。这里面虽然有客观原因，但主要还是主观原因。
　　客观原因是SLV为早期航天事业开路的任务已经完成，新的载荷质量大大增加，远远超出了SLV运载能力（见表1），只能用中型及大型火箭运载。
表1　不同年代几种美国卫星参数的变化

卫星名称卫星种类卫星质量
kg近地点
高度/km远地点
高度/km轨道面
倾角/(°)发射时间
年运载火箭
国际通信1同步通信3935 00036 5850.11965德尔它D
国际通信5同步通信1 09834 40135 7740.11985宇宙神G-半人马座
发现者-13侦察77025369494.11960雷神-阿金纳A
KH-11详查侦察13 30027350996.961978大力神3D
子午仪-1B导航定位12043188751.31960雷神-艾布尔星
GPS-1导航定位45020 09520 44263.271978宇宙神E/F

　　但更重要的是主观原因。 1972年，美国政府决定发展可重复使用的航天飞机。与此同时，美国政府还确定用航天飞机取代一次使用的各种运载火箭。它要求，在航天飞机投入使用后二三年内，就陆续把运载火箭的管理工作转交给私人公司经营。在这种政策影响下，美国80年代初生产完使用型侦察兵G-1最后18发产品后，SLV就完全停产了。而且，这种取消一次性运载火箭的思想不仅影响了美国，也影响了欧洲和其它航天国家。欧洲不再研制小型运载火箭欧洲号，把发射小型载荷的希望全部寄托到大型火箭阿里安和使神号航天飞机搭载上。
3　小型运载火箭的中兴
3.1　新的小卫星热需要新的小型运载火箭
　　80年代起，在航天器领域出现了小卫星热。其原因有：
　　a) 新的高技术(特别是微电子技术)，使卫星有可能实现小型化。80年代，出现了集成度100万个以上的特大规模集成电路（ULSI）和许多新器件。利用它们及其它的高技术成果，能制造出功能全、容量大、成本低的小型卫星甚至微型卫星。这些卫星体积小，质量只有几十、几百公斤，很适合用SLV运载。
　　b）出现了一些按新概念建造的应用卫星系统，如全球卫星移动通信系统(铱星、全球星等)、全球通信网以及对地观测星座等等。它们单颗星的质量只有几十、几百公斤，但数量很大，每个系统少则十颗、几十颗，多则几百颗卫星，除了一箭多星组网发射外，不少还要用SLV发射试验星和不定期的补网星。
　　c) 除美、苏等空间大国以外，欧洲、美洲、亚洲许多国家都加入了开发、利用空间资源的行列。它们从小入手，制造了为数不少的小卫星，如西德的Express(重850 kg的微重力试验回收卫星)，瑞典的Freja(重250 kg的技术试验卫星)、Odin(重225 kg的科学卫星)，巴西的DCS-1(重115 kg的数据传输卫星)等等，寻找SLV为其单独发射。
　　小卫星热使大量小卫星拥入空间发射市场，却找不到运载工具来发射它。
　　1981年4月，美国航天飞机首飞成功。 1985年初结束试验性飞行转入航务运载时，NASA曾乐观地宣布：到1987年9月航天飞机飞行69次，可发射125个载荷（包括30个国内、28个国外商业载荷），一年过后，实际只飞行10次，而且在1986年1月发生了挑战者号爆炸的严重事故。由于早已放弃一次性运载火箭，美国此时SLV库存告紧（仅剩14发侦察兵）。美国以外的情况也不妙。前苏联SLV发射潜力很大，但因为政治原因一直进不了市场。欧洲阿里安系列火箭1982～1989年商业飞行共30次。由于绝大多数发射轨道与小卫星要求不匹配，只搭载了两次，发射了两颗小卫星。
　　实践的教训使大家认识到：空间运输系统不能采用单打一模式。它虽然属于高技术产品，其实应该和陆上、水上、空中运输系统的工具汽车、轮船、飞机一样，需要针对不同载荷的尺寸、质量大小及运载要求，适当配置大、中、小规格和品种。鉴于目前多数小卫星属于在大倾角轨道面上运行的应用卫星和科学卫星，大、中型火箭搭载发射机会有限，适当发展一些经济、灵活的小型运载火箭单独发射它们是十分必要的。
3.2　世纪之交的小型运载火箭
　　在挑战者号航天飞机爆炸后，各国重新发展SLV。经过10年努力，己有十几种SLV问世（见表2)，小型运载火箭又呈现出中兴的局面。
表2　世纪之交使用的主要小型运载火箭

国别名称(代号)火箭类别质量/t首发时间简要说明及运载能力
俄罗斯宇宙2号两级液体1081964400 km极轨道，1 130 kg；轨高1 600 km,600～800 kg
俄罗斯隆声号三级液体112-SS-19导弹加一级，1 000 km极轨道，1 250 kg
俄罗斯起飞1号多级固体481995SS-25导弹加一级，可机动发射
美国飞马座-XL三级固体22.61996机载空中发射，463 km极轨道，279 kg
美国金牛座四级固体72.61994MX导弹的一级加飞马座，695 km极轨道，780 kg
美国洛马运载器1两级固体66.31995首发失败，范登堡基地发射，低轨道运载能力800 kg
美国洛马运载器2三级固体1201998范登堡基地发射，低轨道运载能力2 000 kg
日本M-5三级固体1301997最大的全固体火箭，低轨道运载能力2 000 kg
日本J-1三级固体87.51996H2助推器加M3S2组成，低轨道运载能力1 000 kg
中国长征一号丁三级液固81.2-低轨道运载能力900 kg，500 km极轨道，500 kg
印度ASLV三级固液391992轨高400 km,倾角45°,运载能力150 kg
以色列SHAVIT，
NEXT三级固体301988NEXT从范登堡基地发射，
500 km极轨道，运载能力400 kg
法国
意大利与阿里安
匹配的SLV??-期望能力是把1000 kg载荷发送到800 km轨道

　　用于世纪之交的SLV具有以下特点：
　　a) 充分利用退役导弹和成熟技术。根据限制战略武器条约，许多远程、洲际导弹将退役，各国都利用它们组成新的SLV（见表2）。退役导弹数量大、成本低、性能稳定，组成的SLV具有很强竞争力（俄罗斯已成功发射存放20多年的SS-19，将用60发这种导弹改作SLV ）。此外，各国都注意利用成熟可靠的技术和产品。如美国金牛座、洛马运载器都采用锡奥科尔公司以MX导弹发动机为基础的卡斯特120固体发动机。
　　b）采取多种经营方式。表2所列SLV，有些是国家计划项目，但多数是私营公司或跨国公司产品。目前已经打开局面的飞马座、金牛座属轨道科学公司，洛马运载器属洛克希德.马丁公司，隆声号（ROCKOT ）则属EUROCKOT国际发射服务公司（由俄罗斯赫鲁尼切夫国家航天研究和生产中心与德国戴姆勒-奔驰公司联合组成）。多种经营方式将使跨世纪的SLV更具有灵活性和商业活力。
　　c) 市场竞争激烈。1994年，欧洲咨询组织预测10年内将有300颗左右（西方、独联体国家各半）小于1 t的小卫星需要发射（去年洛马公司预测西方今后10年的数量是118颗）。从表2可知，已在研制的SLV已经有十几个。如果它们都进入发射市场，每种火箭每年平均只能摊到1～2次机会。显然，不会出现这种机会均等局面，各国SLV之间会在发射能力、价格、进度及服务水平上发生优胜劣汰的激烈竞争。
3.3　吸取历史经验，促进小型运载火箭良性发展
　　到目前为止，新研制的SLV已多次发射成功并进入市场。1997年2月，日本J-1火箭把日本希望号航天飞机的高超音速飞行试验件射入亚轨道。1998年3月，日本M-5火箭首次发射就把用于下世纪观测银河系活动和行星探测的射电望远镜卫星送入太空。美国的飞马座、金牛座火箭，俄罗斯的起飞1号，已开始发射卫星并获得多项发射合同。可以说，新一代SLV已经复苏并趋向成熟。但也要看到，不少公司的SLV不按航天规律办事，急于求成、仓促上马，结果欲速不达、多次发射都以失败告终。美国空间服务公司的大篷车号就是典型例子。15年来，它搞了4种型号都不成功。 1995年10月用1620型火箭发射多个试验卫星，仅飞行45 s就因为姿态失稳而自毁，损失达7 500万美元。除此以外，洛马运载器1、飞马座-XL、起飞1号首次发射都没有成功。这些事例说明，需要认真吸取SLV多年成功的历史经验，才能使新一代SLV良性发展，在空间运输系统中发挥出作用。
4　长征一号丁新火箭
　　1996年10月，中国航天局王礼恒副局长在国际宇航联47届大会上宣布：中国正在研制新的长征一号丁（CZ-1D ）火箭。下面介绍它的总体方案、主要系统和运载能力。
　　1970年4月，中国用长征一号（CZ-1）火箭发射了第1颗东方红卫星。 CZ-1D是以CZ-1为基础改进而成的三级小型运载火箭，用于发射小型低地球轨道和太阳同步轨道卫星。火箭的直径 2.25 m，总长28.22 m，起飞质量约81 t。火箭总体布局见图2。



图2　CZ-1D运载火箭
　　CZ-1D的一子级为液体火箭，子级总长19.73 m，总质量65.35 t。采用固定式四机并联的液体火箭发动机，海平面总推力为1 101.3 kN， 海平面的比冲为2 378 N.s／kg。子级共装有60 t偏二甲肼+硝酸-27s可自燃推进剂，二子级也是液体火箭，子级总长6.04 m，总质量13.6 t。双机并联、双向摇摆的液体火箭发动机直接安装在共底贮箱的后底上。发动机真空总推力100.86 kN，真空比冲2 971N.s／kg。子级共装有12 t偏二甲肼+四氧化二氮可自燃推进剂。三子级总长2 m，总质量1.46 t。主要动力是居中放置的固体发动机。固体发动机总长1.49 m，直径0.82 m，采用HTPB推进剂，装药量0.8 t，真空平均推力60.5 kN,真空平均比冲2 834 N.s／kg。另外，三子级还有一套双组元液体辅助动力系统，装有147 kg和二级一样的推进剂。系统共有16个可多次启动的小火箭发动机，其中4个主机可按1 600／400／0 N三挡变推力工作。系统用于三级滑行段、动力段和末加速段的姿态控制、末速修正及变轨加速。三级顶部安装卫星（可按用户要求选择标准接口），外部套装着直径为2.05 m、高度为4.0 m的锥-柱玻璃钢壳整流罩。
　　CZ-1D的一级与二级之间采用热分离，二级与三级之间、三级与卫星之间采用冷分离。
　　CZ-1D采用全惯性控制系统，飞行全过程实行三轴姿态稳定及惯性导航。靠三级辅助动力系统动力，它可以对轨道及姿态进行精确修正以满足卫星的要求。
　　CZ-1D装有飞行遥测和外弹道测量系统，及时测量飞行状态参数并预报轨道参数。此外，火箭还有安全自毁系统，可实时实行弹上或地面安控，炸毁故障弹。
　　如果卫星近地点在200 km左右，CZ-1D可采用去掉三子级的两级火箭连续工作使它直接入轨，其运载能力约900 kg。如果卫星近地点为300～400 km，则用三级火箭，采用内霍曼转移轨道发射。如果轨道较高，则用外霍曼转移轨道发射，这时卫星的入轨点将在邻近南美洲大陆的太平洋上空。CZ-1D三级火箭运载卫星的能力见图3。


图3　CZ-1D与美国小型火箭运载能力比较(轨道面倾角90°)
　　CZ-1D不久将投入市场为国内外客户服务。
作者单位：韩厚健(北京宇航系统工程设计部，100076）
收稿日期1998-03-04
