[科普中國(guó)]-長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭

1988年7月，中國(guó)首次投入使用的長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭，成功地將我國(guó)第一顆風(fēng)云一號(hào)試驗(yàn)氣象衛(wèi)星送入了太陽(yáng)同步軌道。長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭研制成功，使中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的工作范圍擴(kuò)大到了能覆蓋包括太陽(yáng)同步軌道的全部地球軌道。1

1990年9月3日，第二發(fā)長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射窗口的前沿準(zhǔn)時(shí)發(fā)射，把我國(guó)第二顆風(fēng)云一號(hào)氣象衛(wèi)星和搭載的兩顆用于探測(cè)高空大氣物理參數(shù)的大氣一號(hào)氣球衛(wèi)星精確送入了預(yù)定的太陽(yáng)同步軌道。衛(wèi)星軌道要求是：半長(zhǎng)軸為7273.096公里，偏心率0.95x10^(-4)，軌道傾角98.9 度。實(shí)際發(fā)射的軌道是：半長(zhǎng)軸為7274.165 公里，偏心率0.3x10^(-4)，軌道傾角98.955度。入軌精度非常高。1

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭是在改進(jìn)長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭一、二級(jí)的基礎(chǔ)上、新研制第三級(jí)而發(fā)展起來(lái)的，火箭各級(jí)全部使用四氧化二氮和偏二甲阱常溫推進(jìn)劑，技術(shù)上成熟，且具有較好的繼承性。它的二級(jí)火箭與長(zhǎng)征三號(hào)火箭的二級(jí)完全相同，而一級(jí)火箭的推進(jìn)劑貯箱比長(zhǎng)征三號(hào)加長(zhǎng)了4米，增加了40噸推進(jìn)劑，第一級(jí)四臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的地面總推力由2746千牛增大到2942千牛。

在繼承長(zhǎng)征三號(hào)成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭在新研制的第三級(jí)上采用了不少先進(jìn)的技術(shù)措施。

采用數(shù)字式姿態(tài)控制系統(tǒng)。數(shù)字式控制系統(tǒng)是以數(shù)字式網(wǎng)絡(luò)、數(shù)字式調(diào)零方案和雙向伺服機(jī)構(gòu)等新技術(shù)組成的。數(shù)字式網(wǎng)絡(luò)的精度高，抗干擾能力強(qiáng)，應(yīng)變性能好。數(shù)字式調(diào)零方案，與機(jī)電式調(diào)零裝置比較，調(diào)零精度提高了一倍，增加了火箭起飛的可靠性。雙向搖擺伺服機(jī)構(gòu)，用一個(gè)液壓能源帶動(dòng)兩個(gè)作動(dòng)器，使重量功率比達(dá)到了先進(jìn)水平。

三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)由兩臺(tái)獨(dú)立工作的單機(jī)并聯(lián)組成，可雙向搖擺是我國(guó)首次研制的高性能常溫推進(jìn)劑上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)推力49千牛，比沖2971米/秒，每臺(tái)允許沿相互垂直的兩個(gè)方向擺動(dòng)，最大擺角為4.5度，可以在真空中兩次啟動(dòng)。三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用輻射冷卻的鈮合金噴管延伸段，比沖和推力重量比居于我國(guó)常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)的榜首，達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

三級(jí)推進(jìn)系統(tǒng)采用了全程定壓力值氦氣增壓和主、副增壓管路方案。整個(gè)系統(tǒng)的質(zhì)量輕，可靠性高。三級(jí)火箭貯箱采用高強(qiáng)度鋁單層薄壁共底結(jié)構(gòu)，前箱為燃料箱，后箱為氧化劑箱，共底凸面朝向燃料箱。姿控發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)采用表面張力貯箱，使用無(wú)水肼為推進(jìn)劑，用于發(fā)動(dòng)機(jī)關(guān)機(jī)后的人軌速度修正和滑行時(shí)的姿態(tài)控制。其特點(diǎn)是與各種推進(jìn)劑相容性好，可以長(zhǎng)期、重復(fù)使用。

繼承已有的技術(shù)成果，采用經(jīng)地面反復(fù)驗(yàn)證的先進(jìn)技術(shù)，保證了長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的優(yōu)良性能。這已在長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭兩次成功發(fā)射氣象衛(wèi)星、衛(wèi)星精確入軌中得到了驗(yàn)證。1

長(zhǎng)征四號(hào)甲運(yùn)載火箭(CZ-4A)

我國(guó)發(fā)射第一顆氣象衛(wèi)星的運(yùn)載火箭，它是在風(fēng)暴一號(hào)基礎(chǔ)上增加第三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)而成。

火箭全長(zhǎng)41.901米，芯級(jí)最大直徑3.35米，起飛質(zhì)量248.9噸，起飛推力約300噸。運(yùn)載能力為太陽(yáng)同步軌道時(shí)1500千克。

1988年9月7日首次發(fā)射，成功地將我國(guó)第一顆氣象衛(wèi)星風(fēng)云一號(hào)送入太陽(yáng)同步軌道。隨后又將第二顆風(fēng)云一號(hào)氣象衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)入軌道?？偣策M(jìn)行兩次發(fā)射，全部成功。2

長(zhǎng)征四號(hào)乙運(yùn)載火箭(CZ-4B)

我國(guó)在長(zhǎng)征四號(hào)甲基礎(chǔ)上研制的一種運(yùn)載能力更大的三級(jí)液體運(yùn)載火箭。

火箭全長(zhǎng)45.576米，芯級(jí)最大直徑3.35米，運(yùn)載能力在太陽(yáng)同步軌道為1900千克。長(zhǎng)征四號(hào)乙主要用于發(fā)射太陽(yáng)同步軌道的對(duì)地觀察應(yīng)用衛(wèi)星，1999年5月10日，長(zhǎng)征四號(hào)乙火箭首次發(fā)射，成功地將“風(fēng)云一號(hào)C”和“實(shí)踐五號(hào)”衛(wèi)星準(zhǔn)確送入軌道；截止2013年，長(zhǎng)征四號(hào)乙火箭共發(fā)射2次，將28顆國(guó)內(nèi)外衛(wèi)星送入預(yù)定軌道。其中我國(guó)和巴西合作的地球資源衛(wèi)星均由該火箭發(fā)射。23

長(zhǎng)征四號(hào)丙運(yùn)載火箭(CZ-4C)

是由中國(guó)航天科技集團(tuán)公司第八研究院抓總研制的常溫液體推進(jìn)劑三級(jí)運(yùn)載火箭，是在長(zhǎng)征四號(hào)乙（CZ-4B）基礎(chǔ)上，增加了三子級(jí)二次啟動(dòng)能力，主要用于發(fā)射太陽(yáng)同步軌道衛(wèi)星。

火箭全長(zhǎng)48米，一、二級(jí)直徑為3.35米，三級(jí)直徑為2.9米，起飛質(zhì)量250噸，太陽(yáng)同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力2.8噸（800千米）。4

首發(fā)改進(jìn)型運(yùn)載火箭于2006年4月27日在太原衛(wèi)星發(fā)射中心成功發(fā)射，將我國(guó)首顆遙感衛(wèi)星準(zhǔn)確送入預(yù)定軌道，并實(shí)現(xiàn)了首發(fā)火箭發(fā)射場(chǎng)測(cè)試零故障。5

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭有著較廣泛的用途，適用于發(fā)射太陽(yáng)同步軌道和極地軌道的有效載荷，也可以承擔(dān)地球同步轉(zhuǎn)移軌道有效載荷的發(fā)射任務(wù)，在我國(guó)各個(gè)發(fā)射中心均可發(fā)射。

在現(xiàn)有狀態(tài)下，它的低地軌道（近地點(diǎn)高度為200公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為40公里）運(yùn)載能力達(dá)4520公斤，901 公里高的太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力達(dá)1650公斤，地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力達(dá)1250公斤。目前，長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭是中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭中用于發(fā)射太陽(yáng)同步軌道和極低軌道各種應(yīng)用衛(wèi)星的主要運(yùn)載工具。

從運(yùn)載能力上看，現(xiàn)有的長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭還留有不少余地，稍加改進(jìn)，運(yùn)載能力還可以進(jìn)一步提高。

為擴(kuò)大適用范圍，長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭具有兩種不同直徑的衛(wèi)星整流罩，可適應(yīng)不同質(zhì)量和尺寸的有效載荷。

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭還具有發(fā)射一箭多星的技術(shù)裝置，用一枚運(yùn)載火箭發(fā)射多顆衛(wèi)星，關(guān)鍵是星箭分離技術(shù)的穩(wěn)妥可靠。實(shí)際上，我國(guó)早在80年代初已掌握了一箭多星技術(shù)。1981年9月，我國(guó)曾用風(fēng)暴一號(hào)運(yùn)載火箭成功發(fā)射了一組三顆空間物理探測(cè)衛(wèi)星。1990年9月，長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭第二次成功發(fā)射氣象衛(wèi)星時(shí)搭載了兩顆大氣一號(hào)氣球衛(wèi)星，這是利用三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)艙的有效空間，設(shè)置另一種分離裝置實(shí)現(xiàn)的。1

中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭都具有可靠性高的特點(diǎn)。長(zhǎng)征二號(hào)運(yùn)載火箭12次成功發(fā)射返回式科學(xué)試驗(yàn)衛(wèi)星。長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭6次成功發(fā)射地球同步軌道通信衛(wèi)星。長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭2次成功發(fā)射氣象衛(wèi)星，2次均獲得成功。成功率都達(dá)到了先進(jìn)水平。這些都是為國(guó)內(nèi)外用戶提供商業(yè)服務(wù)的良好的運(yùn)載火箭。1

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭具有較高的可靠性，主要通過(guò)火箭設(shè)計(jì)方案的一系列可靠性保障措施實(shí)現(xiàn)的，也就是在整個(gè)研制過(guò)程中，按可靠性工程要求進(jìn)行設(shè)計(jì)、試驗(yàn)、生產(chǎn)和管理。

在火箭總體設(shè)計(jì)方案和分系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案的選擇上，可靠性是一項(xiàng)重要取舍條件。長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭及其分系統(tǒng)都規(guī)定有明確的可靠性指標(biāo)，火箭各級(jí)全都采用常溫推進(jìn)劑，就是充分考慮了這類運(yùn)載火箭技術(shù)上成熟，容易達(dá)到較高可靠性的優(yōu)點(diǎn)。在火箭的分系統(tǒng)中，根據(jù)可靠性要求，其控制系統(tǒng)采用了先進(jìn)的數(shù)字控制技術(shù)，應(yīng)用了工作安全可靠的雙向伺服機(jī)構(gòu)；動(dòng)力系統(tǒng)研制了比沖高、質(zhì)量輕，具有較高可靠性的上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，應(yīng)用了發(fā)動(dòng)機(jī)在失重條件下可靠點(diǎn)火、多次啟動(dòng)技術(shù)；遙測(cè)系統(tǒng)采用脈沖編碼幅度調(diào)制；外測(cè)系統(tǒng)研制了小型化的箭上連續(xù)波應(yīng)答機(jī)等。分系統(tǒng)方案按可靠性要求作正確選擇以及一些相關(guān)技術(shù)的突破，保證了長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭具有較高的系統(tǒng)可靠性。1

當(dāng)然，長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的可靠性還必須通過(guò)研制過(guò)程得到保障，而這種保障則是由《長(zhǎng)征四號(hào)可靠性保障大綱》等一系列管理法規(guī)為指導(dǎo)，以各種可靠性增長(zhǎng)試驗(yàn)，可靠性設(shè)計(jì)評(píng)審與評(píng)估，以及嚴(yán)格的質(zhì)量管理來(lái)實(shí)現(xiàn)的。例如，長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的大直徑衛(wèi)星整流罩，盡管采用技術(shù)成熟的彈射筒分離方案，但為了保證可靠性，在地面曾進(jìn)行了多次分離試驗(yàn)。

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭在研制全過(guò)程的質(zhì)量管理中，著重采用預(yù)防為主的管理方法，從上到下，由設(shè)計(jì)師、質(zhì)量部門組成研制、生產(chǎn)、試驗(yàn)全過(guò)程的質(zhì)量保證體系，建立了分級(jí)分階段的設(shè)計(jì)質(zhì)量、工藝質(zhì)量和產(chǎn)品質(zhì)量評(píng)審制度，以及可靠性設(shè)計(jì)評(píng)審與評(píng)估制度。在地面試驗(yàn)中，做到嚴(yán)格、充分、可靠，對(duì)新技術(shù)、新設(shè)計(jì)的產(chǎn)品是這樣，對(duì)繼承性強(qiáng)的產(chǎn)品也是這樣。在產(chǎn)品研制出現(xiàn)故障時(shí)，堅(jiān)持做到現(xiàn)象不清不放過(guò)、原因不明不放過(guò)、措施不落實(shí)不放過(guò)。在火箭發(fā)射前，還有一套嚴(yán)格的質(zhì)量復(fù)查制度。這一系列質(zhì)量保證措施，保證了長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的高質(zhì)量和高可靠性，為首次發(fā)射、首次成功奠定了基礎(chǔ)。

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的突出優(yōu)點(diǎn)之一是它所具有的良好的經(jīng)濟(jì)性，主要是火箭的研制成本低，發(fā)射費(fèi)用少。因而，它對(duì)國(guó)內(nèi)外商業(yè)服務(wù)的費(fèi)用是比較低的。

實(shí)施目標(biāo)成本管理是長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭研制成本低、經(jīng)濟(jì)性好的重要措施。以經(jīng)濟(jì)性為主題的總體方案論證是目標(biāo)成本管理的前提。為充分體現(xiàn)長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的經(jīng)濟(jì)性，火箭總體方案堅(jiān)持了五條原則：一是盡可能選用已經(jīng)過(guò)飛行試驗(yàn)證明是成熟的技術(shù)；二是在保證火箭總體性能和系統(tǒng)可靠性的前提下，不追求單項(xiàng)技術(shù)的先進(jìn)；三是必須采用的新技術(shù)，需經(jīng)充分的地面試驗(yàn)驗(yàn)證是可靠的才能應(yīng)用；四是優(yōu)化試驗(yàn)項(xiàng)目，盡量采用簡(jiǎn)單易行的試驗(yàn)方法；五是利用全國(guó)各地的技術(shù)成果，不搞重復(fù)研制。總體方案確定以后，在火箭的研制、試驗(yàn)和生產(chǎn)中；通過(guò)嚴(yán)格的經(jīng)濟(jì)核算，減少不必要的支出，減少浪費(fèi)損失等一系列措施來(lái)控制成本，從而保證了長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的研制費(fèi)用能夠得到較好控制。

發(fā)射費(fèi)用少。長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭采用常溫推進(jìn)劑，地面設(shè)施簡(jiǎn)單，發(fā)射場(chǎng)區(qū)的勤務(wù)簡(jiǎn)單，方便實(shí)用。我國(guó)的太原、西昌、酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心的設(shè)施都能適應(yīng)長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的發(fā)射。

作為我國(guó)發(fā)射太陽(yáng)同步軌道和極地軌道衛(wèi)星的基本運(yùn)載工具，長(zhǎng)征四號(hào)的應(yīng)用將會(huì)得到不斷的擴(kuò)大和發(fā)展。中國(guó)和巴西正在合作研制的資源一號(hào)衛(wèi)星，其運(yùn)載工具已確定選用長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭，發(fā)射方案已通過(guò)審定。

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭在現(xiàn)有基礎(chǔ)上經(jīng)過(guò)改進(jìn)，可在很大范圍適應(yīng)有效載荷的變化。

它的一、二子級(jí)可組成二級(jí)火箭。這種二級(jí)火箭發(fā)射20公里高，軌道傾角70度的低地軌道有效載荷，其運(yùn)載能力可達(dá)3100公斤。

利用成熟的固體助推器，捆綁在長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭的一子級(jí)上，又可組成新的捆綁火箭。在長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭上捆綁6個(gè)平均推力為559千牛的固體助推器，用于發(fā)射近地點(diǎn)高度為20公里，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度為400公里的極地軌道有效載荷，其運(yùn)載能力可達(dá)到5700公斤。如捆綁8個(gè)固體助推器，它的運(yùn)載能力則可提高到6300公斤。

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭由于運(yùn)載能力大，特別適合于一箭多星發(fā)射業(yè)務(wù)。

長(zhǎng)征四號(hào)運(yùn)載火箭是中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭家族中的一員，它的一些主要特點(diǎn)，代表了中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的基本特點(diǎn)，也是中國(guó)運(yùn)載火箭能夠較好地服務(wù)于四化建設(shè)，并在國(guó)際衛(wèi)星發(fā)射服務(wù)市場(chǎng)上具有競(jìng)爭(zhēng)力的主要原因。今后，我們還將繼續(xù)推進(jìn)長(zhǎng)征型號(hào)運(yùn)載火箭系列化的進(jìn)程，提高研制水平，為航天事業(yè)的發(fā)展作出新的貢獻(xiàn)。1