中国新型运载火箭长征—2F

　　1 前言

　　长征—2F(CZ-2F)是我国第1种为载人航天研制的高可靠性、安全性运载火箭，是载人航天工程的重要组成部分之一。它在CZ—2E基础上增加了2个新系统，即逃逸系统和故障检测处理系统。火箭全长58.343m，起飞质量479.8t，芯级直径3.35m，助推器直径2.25m，整流罩最大直径3.8m。火箭的芯级和助推器发动机均使用四氧化二氮和偏二甲济作为推进剂。

它可把8t重的有效载荷送入近地点高度200km、远地点高度350km、倾角42.4°－42.7°的轨道。

　　2 分系统简介

　　该火箭由箭体结构系统、动力装置系统、控制系统、推进剂利用系统、故障检测处理系统、逃逸系统、遥测系统、外测安金系统和附加系统及地面设备系统共10个系统组成。

　　2.1 箭体结构系统

　　(1)助推器

　　助推器结构主要由头锥、氧化剂箱、箱间段、燃烧剂箱、后过渡段、尾段和尾翼构成，直径2.25m，长16m，采用耗尽关机和可分离方式。

　　(2)芯级第一级

　　芯级第一级结构主要由级间段、氧化剂箱、箱间段、燃烧剂箱、后过渡段和尾段构成，直径3.35m，长28.5m(含级间段)。

　　(3)芯级第二级

　　芯级第二级主要由飞船支架、仪器舱、氧化剂箱、箱间段和燃烧剂箱构成，直径3.35m，长15.1m。

　　(4)飞船整流罩

　　CZ-2F的整流罩采用框桁结构，分为上下两部分、上部整流罩是逃逸飞行器结构的一部分，由前锥段、前柱段和后锥段构成，在其外部装有4台FG—59、2台GF—5固体发动机，在其内部有3个上支撑机构和3个下支撑机构。下部整流罩由后柱段和倒锥段组成。

　　(5)逃逸塔

　　逃逸塔由头锥、配重段、4台偏航俯仰发动机、1台分离发动机、1台逃逸主发动机和尾裙组成，长度8.35m。

　　2.2 动力装置系统

　　动力装置系统由第一级、第二级、助推器和增压输送系统组成。

　　芯级第一级发动机代号为DaFY1O-1，由4台单机DaFY11-1通过机架并联组成。芯级第二级发动机代号为DaFY20-2，由主机DaFY21—2及游动发动机DaFY22—1通过机架并联组成，主机采用大喷管，游机采用短喷管(再生冷却方式)。助推器发动机的代号为DaFY5-2。

　　2.3 控制系统

　　控制系统箭上部分由制导系统、姿态控制系统、时序控制系统、电源配电系统和飞行控制软件组成。

　　(1) 制导系统

　　制导系统采用平台(捷联)—计算机方案。为了提高可靠性，采用以平台为主、故障时切换到捷联惯组的工作方式。计算机上实现了部件冗余，增加了冗金管理，采用CPU、A／D和 D／A三冗余。

　　(2) 姿态控制系统

　　姿态控制系统采用姿态角—姿态角速率—数字网络—摇摆发动机方案。为了提高可靠性采取了以下冗余措施：

　　相敏检波滤波装置、箭载计算机A/D变换采用三冗余，按2／1表决方式进行工作；

　　箭载计算机D/A、综合放大器与伺服机构伺服阔前置级、反馈电位计均采用三冗余。

　　(3)时序控制系统

　　它采用由箭载计算机提供时序时间编码的电子时序控制方案，功率输出采用继电器。

　　(4)电源配电系统

　　它由电池、配电器、交直流二次电源和电缆网组成。

　　2.4 推进剂利用系统

　　推进剂利用系统采用燃烧剂泵后分流开环调节方式，以干簧式液位传感器作为敏感元件，调节阀门为执行机构。

　　该系统由箭上设备燃烧剂液位传感器、氧化剂液位传感器、控制器、电机驱动器、电池、调节阀门和箭上电缆网组成，其中，控制器的CPU及电路采用了三冗余。

　　2.5 故障检测处理系统

　　故障检测处理系统有两个主要任务，一是检测火箭的重要参数，判断火箭故障，出现故障时向有关系统发出逃逸指令和中止飞行指令；二是逃逸时完成逃逸飞行器的时序控制和火工品配电。

　　其箭上设备包括故障检测处理器、指令控制器、逃逸程序控制器、火工品配电器和电池。

　　故障检测参数分别由遥测系统和控制系统提供，它包括姿态角偏差、箭体角速率、轴向过载、逃逸塔分离信号、助推器分离信号、整流罩横纵向分离信号和平台切换信号等。

　　2.6 逃逸系统

　　逃逸系统的任务是当运载火箭抛整流罩前发生重大危险，威胁到航天员的生命安全时，负责使航天员脱离危险区，并为航天员的返回着陆提供必要的条件。逃逸系统由逃逸塔、上部整流罩、栅格翼及其释放装置、上支撑机构、下支撑机构和灭火装置组成。逃逸系统的动力装置由逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰发动机、高空逃逸发动机和高空分离发动机组成，其中逃逸主发动机、分离发动机、偏航俯仰发动机和配重段、尾裙仪器组成逃逸塔。

　　在逃逸系统的工作范围(起飞至整流罩分离)内，逃逸摸式分为两种，即有塔逃逸模式(模式Ⅰ)和无塔逃逸模式(模式Ⅱ)。模式Ⅰ适用于火箭飞行0-120s，模式Ⅱ适用于火箭飞行120-200.87s。在模式Ⅰ中，60s之前火箭发动机不关机，60s之后火箭发动机关机。对应模式Ⅰ的逃逸程序有3种，对应模式Ⅱ的逃逸程序有1种。

　　2.7 遥测系统

　　遥测系统的主要任务是：

　　(1)测量、记录、发送火箭在飞行中的测量参数；

　　(2)向故障检测处理系统实时提供一类检测参数，向地面故障诊断系统实时提供一、二类遥测参数；

　　(3)逃逸后测量、记录、发送逃逸飞行器的参数。

　　遥测系统箭上设备由S波段无线传输设备、磁记录及中间装置、传感器、变换器、电池和电缆网组成。

　　2.8 外测安全系统

　　外测安全系统与首区、航区的地面测控设备协同工作，完成外弹道测量任务、接受遥控逃逸指令并传送给故障检测处理系统以及火箭的安全处理等任务。

　　外测安全系统的箭上设备包括干涉仪应答机、脉冲应答机、引导信标机、安全指令接收机、逃逸指令接收机、控制器、电池、爆炸器、引爆器、激光合作目标和天线等。

　　2.9 附加系统

　　附加系统主要由耗尽关机信号系统、加注液位测量、推进剂测温、垂直度调整和地面总体综合测试网组成。

　　地面总体综合测试网有两项功能，一是辅助运载火箭的测试发控，二是为待发段逃逸提供检测参数。地面总体综合测试网由局域网络设备、网络服务器、微机、显示设备、打印设备、系统软件和应用软件组成。

　　2.10 地面设备系统

　　地面发射设备由发射设备、运输设备、吊装设备、加注设备、供气设备、供配电设备和瞄准设备组成。

　　3 CZ-2F火箭研制和应用前景

　　3.1 CZ-2F火箭的研制

　　CZ-2F火箭从1992年开始研制，1999年11月首飞成功。在历时8年的研制过程中始终将可靠性、安全性放在首位。火箭上广泛采用了冗余设计，提高了元器件等级和筛选标准，结构设计提高了剩余强度系数，发动机也进行了旨在提高可靠性的设计。火箭的可靠性指标从CZ-2E的0.91提高到0.97，使它成为目前国内可靠性指标最高的运载火箭。

　　CZ-2F火箭继承了CZ-2E火箭的主要构型，即芯级捆绑4个助推器。助推器在CZ-2E的基础上加长，捆绑连接点位置由第一级后箱前短壳移至第一级箱间段。

　　为了达到载人飞行的高可靠要求，控制系统、利用系统等箭上电系统采用了部件级的冗余技术，固体发动机、箭体结构和仪器电缆安装等进行了以提高可靠性为目的的改进设计。为保证航天负的安全，CZ-2F火箭增加了逃逸系统和故障检测处理系统。控制系统和遥测系统也为配合航天员的逃逸救生增加或者改进了设计。

　　在火箭飞行过程中，故障检测处理系统通过检测火箭的重要飞行参数，按事先确定的判据自动进行火箭故障判别，当发现故障时向有关系统发出逃逸指令和中止飞行指令。逃逸系统接到来自故障检测处理器或者是地面发出的逃逸指令后，迅速将飞船的返回舱和轨道舱带离危险区，并利用飞船的返回着陆系统完成逃逸救生任务。

　　为了适应地面测控的要求，遥测系统箭上点频采用了S波段。由于遥测系统不但承担了正常的测量任务(为事后分析提供数据)，还要为箭上故障检测处理系统和地面故障判断提供参数，因此，遥测系统对关键参数进行了冗余测量，对重要参数实施双通道下行。

　　为保证航天员的安全性，外测安全系统取消了姿态自毁功能，提供了地面遥控逃逸指令上行通道。

　　飞船通过飞船支架、船箭锁紧包带与火箭第二级连接，包带直径为2800mm。它采用了分离弹簧和反推火箭、侧推火箭的分离方式保证火箭与飞船安全可靠的分离。

　　为保证火箭飞行稳定性、赢得逃逸时间和提高逃逸成功率，火箭增加了尾翼。尾翼安装在助推器的尾段。

　　CZ-2F火箭的发射场在酒泉卫星发射中心，它采用了在垂直总装厂房垂直总装测试、船箭组合体在活动发射平台上垂直整体运输、在测发楼对发射工位的火箭进行远距离测试发控的方式。

　　3.2 CZ-2F火箭的应用前景

　　CZ-2F运载火箭的前身CZ-2E火箭曾经历过6次商业卫星的发射，2次发射失利以及国际发射市场的形势变化使其淡出了卫星发射市场。CZ-2F火箭经过8年旨在提高可靠性、安全性的设计工作之后，其性能稳定性、可靠性水平已超过普通用于商用卫星发射的运载火箭，因此，CZ-2F火箭以高可靠性重返商业卫星发射市场，对获取商业发射合同有较大的优势。

　　以CZ—2F为基础进行适应性修改可以将其近地轨道运载能力提高到11.2t，通过调整助推器、上面级的组合能适应不同有效载荷的需要。

　　经过适当的改进，CZ-2F火箭还可以用于开展月球探测或是星际探索任务。

　　4 结束语

　　到目前为止，CZ-2F火箭已成功将3艘无人飞船准确可靠地送入预定轨道，其可靠稳定的飞行性能已经得到了初步的检验，为我国航天员安全可靠地进入太空提供了有力的保证。虽然CZ—2F火箭是为载人航天而研制，经过简单的适应性修改，就可以凭其高可靠性的优势进入低轨道卫星的发射市场。同时，研制高可靠性运载火箭的经验和技术将为研制下一代高可靠性火箭奠定坚实的基础。随着运载能力的进一步提高，定会在卫星、空间探测等领域大有作为。

　　作者：张智(中国运载火箭技术研究院总体设计部）

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