原标题：

Review and Prospect of LM-3A Series Launch Vehicle As Space Express for BDS

【灰色（）的内容均为译者的注释、添加的必要内容和进一步解释，以便读者的阅读和理解】

摘要：

        我国的北斗卫星导航系统星座（BeiDou Navigation Satellite System，简称BDS）的所有卫星【包括北斗一号系列（BDS-1系）、北斗二号系列（BDS-2系）和北斗三号系列（BDS-3系）】均由长征三号甲系列运载火箭发射【长征三号甲系列运载火箭系列包括长征三号甲子系列（LM-3A系或CZ-3A系）、长征三号乙子系列（LM-3B系或CZ-3B系）和长征三号丙子系列（LM-3C系或CZ-3C系）】，所以长征三号甲系列运载火箭也被称为“北斗的快车”。在北斗导航系统项目26年的发展中，长征三号甲系列运载火箭取得了一系列关键技术的突破，GTO（Geostationary Transfer Orbit，地球同步转移轨道）、IGTO（Inclined Geostationary Transfer Orbit，倾斜地球同步转移轨道）和MTO（Medium Earth Transfer orbit，中地球转移轨道）等轨道的运载能力不断提高，从最初的一箭将一颗北斗1号卫星送入GTO，到现在的一箭将两颗北斗3号卫星送入GTO、一箭搭配上面级将两颗北斗3号卫星直接送入MEO（Medium Earth orbit，中地球轨道）。44次长征三号甲系列运载火箭的发射，59颗北斗导航卫星全部进入预定轨道，成功率100%，这是在世界上绝无仅有的（GPS-I的发射失败了1次，GPS-II的发射失败了1次，GPS-III工作星尚未部署完成。GPS，Global Positioning System navigation satellites，全球卫星导航系统；Galileo的发射截止目前部分失败了1次。Galileo，伽利略卫星导航系统；GLONASS-II系的发射失败了2次，GLONASS-M的发射失败了2次。GLONASS，системный номер, номер по наземному комплексу управления，格洛纳斯卫星导航系统）。

引言：

        2020年6月23日，第55颗北斗导航卫星（除前四颗用于实验的BDS-1A、BDS-1B、BDS-1C和BDS-1D），也就是北斗三号系统的最后一颗组网卫星——BeiDou-3 G3（北斗三号，GEO第3星），由长征三号乙遥68运载火箭从西昌卫星发射中心成功2号工位成功发射，这标志着我国全球导航系统部署顺利完成。

        按照“三步走”发展战略，我国北斗导航卫星系统建设分为三个阶段，即BDS-1阶段、BDS-2阶段和BDS-3阶段。为长征三号甲系列运载火箭共进行了44次发射，包括为BDS-1阶段进行的4次发射、为BDS-2阶段进行的18次发射和为BDS-3阶段进行的22次发射，发射成功率为100%。

        长征三号甲系列运载火箭有三个子系列，长征三号乙和长征三号丙是在长征三号甲的基础上发展起来的，分别有4个和2个捆绑式助推器。长征三号乙和长征三号丙也有一些衍生构型。长征三号甲系列运载火箭共有七种配置用于北斗卫星导航系统的建设，即长征三号甲、长征三号乙改一、长征三号乙改二、长征三号乙/远征一号、长征三号丙、长征三号丙改二和长征三号丙/远征一号。

        本文简要介绍了长征三号甲系列运载火箭，总结了近26年来北斗卫星导航系统项目的技术进步，并对其未来的技术发展进行了展望。

长征三号甲系列运载火箭简介

        长征三号甲系列运载火箭是三级（长征三号乙和长征三号丙为三级半）液体推进剂中型运载火箭，主要用于发射MEO、GTO和深空载荷。长征三号甲系列运载火箭也配备了为其研制的具有两次起动能力的三级发动机YF-75。

       火箭是按照“三级构型成熟后再捆绑助推器，坚持“系列化、组合化、通用化、协同发展”的总体纲领逐步发展起来的。系列化的第一步以长征二号丙为基础，加上为长征三号甲研制的液氢液氧三级。在长征三号甲的基础上，研制了长征三号乙和长征三号丙，分别装有四个和两个捆绑式助推器。

        中国新一代通信卫星系统工程设想于1986年2月。作为该项目的一部分，长征三号甲的研制正式启动。在继承长征三号火箭成熟技术的基础上，我们又在一百多个项目上取得了扎实的技术突破，使我国运载火箭技术发展到更高的水平，我国用于GTO任务的运载火箭运载能力更是达到了2.6吨的新水平。长征三号甲的主要发射任务包括东方红三号系列平台通信卫星、北斗一号、北斗二号-IGSO、嫦娥一号月球轨道飞行器、风云二号气象卫星（风云有时用FY作为简写）等。2007年10月10日，中国首个月球轨道飞行器——嫦娥一号成功由长征三号甲发射升空。长征三号甲共发射了12颗北斗导航卫星，且截止目前的27次发射全部保持100%成功率。

        长征三号乙是在长征三号甲的基础上发展起来的，对第三级进行了改进，并增加了4个捆绑式助推器。经过多年的改进，长征三号乙有长征三号乙改一、长征三号乙改五等共有5种改进型。但在1996年2月15日，长征三号乙的首飞——Intelsat-708任务发射失败，在此之后，我们对生产质量进行了全面的整改。整改后，长征三号乙成功地完成了许多国际商业卫星发射任务，包括Mabuhay、亚太二号、中卫一号、鑫诺一号和亚太六号等，为中国赢得国际航天商业发射市场一定的地位。长征三号乙及其改进型是长征三号甲系列运载火箭家族的主力军，主要用于发射地球同步轨道通讯卫星、北斗二号-MEO卫星、北斗三号卫星、风云四号气象卫星等，长征三号乙曾于2013年12月2日将嫦娥三号送入太空，为月球软着陆、探测和地面测量奠定了坚实的基础。2018年12月2日，长征三号乙还将嫦娥四号送入太空，这成为世界上有史以来第一个在月球背面软着陆的探测器。截至2020年12月，长征三号乙已成功完成72次发射。

        为了发射中国第一代中继卫星星座，我们研制了长征三号丙。2008年4月25日，天链一号01星随着长征三号丙的首飞从而成功进入预定轨道，标志着我国在非四对称火箭设计上取得了突破性进展，使我国高轨道发射能力的分配更加合理。实现了长征三号甲系列运载火箭的实际系列化和组合化进一步提高。长征三号丙可以将约3.9吨的有效载荷送到GTO。截至2020年12月，长征三号丙17次发射任务全部成功。

        长征三号甲、长征三号乙、长征三号丙的起飞质量分别为243吨、456吨和366吨。总长度分别为52.5米、56.5米和56.3米。助推器的直径均为2.25米。一级和二级的直径均为3.35米，三级直径3米。有效载荷整流罩直径分别为3.35米、4.2米和4米。一级、二级和助推器的发动机使用偏二甲肼/四氧化二氮作为推进剂。三级发动机采用低温燃料，液氢液氧作为推进剂。

北斗一号相关项目的技术发展

        1994年，经过充分评估，BDS-1项目，一个由两颗卫星组成的主动定位实验系统被批准启动。北斗一号卫星以东方红三号平台为基础进行研发，质量为2300kg，目标发射轨道为GTO。当时的长征三号和长征三号甲是中国的高轨道发射主力军。由于长征三号运载火箭的GTO运载能力仅有1400kg，所以长征三号甲成为了北斗一号唯一的选择。

        长征三号甲运载火箭在发射北斗一号前，已经成功完成了三次东方红三号平台的发射。第一次搭载北斗一号卫星的是长征三号甲遥五。

        长征三号甲遥五、遥六、遥七、遥十二共发射了4颗北斗一号卫星，发射均取得圆满成功。长征三号甲采用冗余速率陀螺仪，迈出了冗余设计控制系统的第一步。遥测系统将s波段的传输速率提高到2Mbit/s，数据传输能力是以前的三倍，且大大提高了数据采集能力。

北斗二号相关项目的技术发展

        BDS-2是一个区域导航卫星系统，有16颗卫星在GEO、IGSO和MEO中运行，需要14次发射才能完成部署。从2017年4月发射的BDS-2实验卫星开始，LM-3A系列便开始为BDS-2项目执行发射任务。

        ①长征三号甲运载火箭

        长征三号甲遥十三在发射BDS-2实验卫星时实现了8个“第一”，即：第一次采用遥控模型发射，第一次使用西昌卫星发射中心的3号发射台发射，第一次应用升空滚转技术，第一次预先设定了全年的轨道供选择，第一次采用双向风力补偿算法，第一次采用第三级发动机一次启动模式，第一次采用东南飞行方向，第一次采用新的残骸落区。 

        第一，这是第一次为长征三号甲设计向东南方向的发射路线。重新绘制了运载火箭飞行轨迹和每个分级的落区，对陆地的影响区更小了。二级落区被规划到了海上，使火箭发射更加安全，残骸落区问题得到改善。向东南方向的新轨道满足了向IGSO和MEO部署卫星的运载能力，为BDS-2的成功组网奠定了坚实的基础。

        其次，这是使用双向风力补偿算法的第一个突破。通过引入三种不同的典型风场，通过优化首级飞行段的俯仰角和偏航角，减小了由迎风引起的攻角和侧滑角，有效地降低了气动负载。双向风补偿技术不仅保证了火箭飞行的安全性和可靠性，而且提高了火箭发射的放行率。

        第三，长征三号甲系列运载火箭率先采用升空滚转技术。采用地面固定瞄准方向，飞行时滚转，解决了与弹道不一致时的瞄准方向问题，避免了地面发射场的重建，充分利用了发射场现有的资源。合理可靠的滚转程序角设计，使长征三号甲系列运载火箭具有不同飞行方向的发射能力，满足BDS-2工程星座任务与其他任务的要求。

        滚转技术使得继续使用现有的光学瞄准方法成为可能。机载惯性平台对准可用的瞄准方位角，然后向惯性平台的滚转通道施加陀螺力矩，使平台对准实际飞行方位角。火箭从发射台升空后，通过让火箭滚转，将火箭的第一和第三象限轴调整到预期的平面。充分论证了成熟的设计方法和结果，火箭经过滚转和定向后的状态与预期状态一致，验证了发射和飞行的可靠性。

        最后一项新技术，单次点火运行模式首次用于第三级发动机。以前采用两次启动的方式，卫星与火箭分离后将位于澳大利亚中部上空，需要在澳大利亚领水附近部署空间跟踪船，或者需要租用国外测控站，这两种方式都是复杂而困难的测控方式。通过单次点火方案，只需要一艘测控船就可以满足飞行段测控任务的要求，大大简化了测控计划，提高了可行性和经济性。为该项目的顺利实施奠定了基础。

        长征三号甲供向MEO发射了一颗BDS-2实验卫星，向IGSO发射了7颗BDS-2卫星。

        ②长征三号乙运载火箭

        一颗BDS-2卫星的重量超过2吨，长征三号甲可以满足IGSO的发射要求。但是使用一发长征三号甲发射一颗MEO BDS-2卫星过于“奢侈”，因此用一枚长征三号乙发射两颗MEO BDS-2卫星更具有经济性。

‍         根据任务需要，新开发的长征三号乙改一将整流罩直径从4米改为3.7米，可以发射两颗BDS-2卫星。在大型串列双星外支撑技术、整体提升低温上级设备舱设计技术、双星联合作业工艺优化技术、串列双星分离设计技术等关键技术上取得突破。新的火箭型号填补了国内火箭运力搭配的空白，使一枚火箭能够发射两颗高轨道卫星。

        这是首次采用串联双星外支撑技术。对火箭结构外形进行了优化设计，降低了飞行中的气动压力，提高了运载火箭的运载能力。新的分离系统设计降低了发射场操作的复杂性，提高了运载火箭的模块化水平。串列双星的外部支撑结构如下所示。

        ③长征三号丙运载火箭

        长征三号丙是我国第一枚非四边形对称的大型液体燃料火箭。俯仰和偏航通道的气动特性与之前的火箭有很大的不同。我们对姿态控制系统重新进行了设计。长征三号丙也是中国第一个装有两个助推器的火箭型号。

        ④其他技术发展

        在BDS-2项目中，LM-3A系列运载火箭采用了基于双SIMU和GNSS的组合导航系统，大大提高了飞行可靠性和轨道注入精度。卫星导航接收机采用了三模块冗余设计，同时支持GPS、GLONASS和BDS-2卫星导航系统。GTO的注入精度由几十公里提高到10公里。

        由于测控船数量和位置的限制，发射地球同步轨道卫星的运载火箭在飞行过程中存在传输盲区，地面无法实时获取信息。但利用中继通信卫星系统可以克服这一缺陷，使所有发射时段的遥测数据都能实时接收。长征三号甲系列运载火箭开创了中国运载火箭使用天基遥测技术的先河。遥测数据通过中继卫星实时传输，降低了测量船的压力，为中国运载火箭空间遥测技术的应用打下了良好的基础，有效保障了BDS-2工程高发射任务的顺利实施。

北斗三号相关项目的技术发展

       BDS-3是一个全球导航卫星系统，由24颗MEO卫星组成，这些卫星由12枚长征三号乙/远征一号运载火箭发射升空；3颗GEO卫星和3颗IGSO卫星被长征三号乙改三运载火箭直送入GTO。

       为建设BDS-3，我们研制了我国第一个与基础级配套的通用上面级，将卫星直接送入中、高轨道。BDS-3 IGSO实验星于2015年成功发射。它促进了导航卫星平台直接注入技术的发展，为中国提供了快速部署和搭建卫星星座的能力。

①LM-3B/YZ-1（长征三号乙/远征一号运载火箭）和LM-3C/YZ-1（长征三号丙/远征一号运载火箭）

为满足BDS-3 MEO卫星的发射需求，我们开发了LM-3B/YZ-1和LM-3C/YZ-1运载火箭。LM-3B运载火箭可以将YZ-1上面级和两颗北斗三号卫星一起发射到MTO中。而LM-3C运载火箭能够将YZ-1上面级和一颗北斗三号卫星送入MTO。YZ-1上面级将在长时间滑行后在远地点机动，并将卫星送入MEO。

②YZ-1（远征一号上面级）

YZ-1上面级满足用3.35m直径系列火箭发射2颗BDS-3 MEO卫星或1颗IGSO卫星的任务要求，具有多次重启、卫星直接送入MEO和IGSO、快速轨道机动和在一个上一级上发射多颗卫星的能力。这是国内第一个能够将卫星送入中轨道或高轨道的通用上面级。

YZ-1是介于航天器和火箭之间的东西，同时具有两者的技术特征。与运载火箭几十分钟的运行时间相比，YZ-1可以运行6.5小时。它像航天器一样在太空环境中飞行。它以自主导航为主，地面遥测遥控为辅。多次重新启动技术提高了任务的适应性。大推力发动机提高了机动能力。独立的电气系统使其更灵活，并高度优化的一般用途。

为了执行SSO卫星任务，YZ-1完成了与LM-2C运载火箭的改装与适配，有效提升了LM-2C运载火箭的运载能力。未来，它还将被改装并用于LM-2F和LM-7运载火箭，为用户提供涵盖各种或轨道和有效载荷能力的发射服务。

BDS项目发射任务分析

BDS项目要求将用一个家族的火箭涵盖所有需求轨道。长征三号甲系列运载火箭需要具备沿东方和东南方向将卫星送入中高轨道的能力。为保证卫星星座部署的时间要求，降低工程建设成本，在BDS-2项目期间研制了长征三号乙改一运载火箭，在双星外支撑技术上取得突破。长征三号乙/远征一号运载火箭是在BDS-3项目期间研制的，在将双星直接送入MEO轨道的技术上取得了突破，在结构设计、分离技术、环境控制等方面也取得了许多重大进步，为其他新型运载火箭的研制提供了重要参考。

BDS项目三期的所有发射任务（共44次）成功率为100%。经定量评定，长征三号甲系列运载火箭运载火箭飞行可靠性达到0.95，达到国际先进水平。从2000年1月到2020年12月，长征三号甲系列运载火箭共执行了107次发射任务，其中BDS卫星任务占总任务的40%以上。在高密度发射中，30%−40%的发射任务用于BDS项目。特别是，2018年，BDS项目的发射任务占总任务的70%以上。

未来展望

长征三号甲系列运载火箭的研制始于20世纪80年代。可靠性设计的不断技术创新和工程应用，使长征三号甲系列运载火箭成为国内首枚实现系列化、通用化、组合化的火箭。

LM-3A系列的持续改进将集中在可靠性、安全性和任务适应性上。

①提高可靠性和安全性

受20世纪80年代的技术水平的限制，长征三号甲系列运载火箭使用了大量的灵敏电子发射装置。虽然经过一百多次成功飞行的验证，其可靠性和安全性仍有提高的潜力。为新一代运载火箭研制的不灵敏电子发射装置将取代这些灵敏电子发射装置，在运输、地面试验和飞行中提供更好的抗电磁干扰能力。伞降助推器的路子会继续下去。这可以将助推器的理论撞击区缩小到原来面积的10%。在高密度发射的前提下，必须在发射场不断进行工艺优化，以提高发射前操作的自动化程度，降低前端的总工时要求。

②提高任务适应性

为支持BDS-3项目，开发了两种四级火箭，即LM-3B/YZ-1和LM-3C/YZ-1，用于将卫星直接送入中高轨道。扩大对不同任务的适应性，将在中、高轨科学探测、深空探测、轨道转移、空间碎片清理、新技术示范等领域发挥重要作用。在BDS项目高密度发射的条件下，LM-3B/YZ-1和LM-3C/YZ-1的技术条件和制造工艺稳定，保证了产品的良好一致性。为满足卫星用户的需求，将对电力系统进行改进，承载能力将略有提升。除了助推器的通用化，不同配置的第一和第二阶段，整个有效载荷运载和设备舱的结构通用化也将得到提升。

搬运件完毕

译者注：在翻译本文时，译者稍对原文的语序、内容等做出了修改和删减，以保证各位读者的阅读体验和内容的真实性。

文件翻译：Falcon 9

文件校对：Falcon 9

搬运件出版方：ASPT-航天科普小组

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原文件出版方：AEROSPACE CHINA

原文件版权所有：AEROSPACE CHINA / ZHANG Yipu, ZHOU Tianshuai, LIU Lidong, LI Dan, HU Wei

出版时间：当地时间2021.02

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