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中国运载火箭CTS、ETS系列固体上面级的分析与解读

佚名 科学 2020年12月08日

中国运载火箭CTS、ETS系列固体上面级的分析与解读

作者:LM-51D-YZ4D2


0.0.1 序言


1990年7月16日,随着长征2E火箭携带着澳普图斯卫星模拟星和Badr-A发射升空,中国航天迈开了全新的一步。然而我们知道澳普图斯卫星是一颗静止轨道卫星,但是长征2E只能发射低轨道。要把卫星从低轨道送到远地点35786km的地球静止转移轨道,需要一个第三级。长征2E火箭使用了PKM固体上面级来执行这一任务。PKM的首飞,代表着中国的固体火箭上面级正式迈入了空间应用阶段。


本篇将介绍中国飞行过和计划过的数款上面级,包括SD,SM,SMA,SMB,PKM,EPKM,OMS。


长征2C-SM发射 图源:Gunter’s Space


https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/cz-2c-2-sd.htm


0.1.0 CTS系列


CTS中的C代指长征2C,广义来说CTS是所有长征2C固体上面级的统称,包括SD,SM,SMA,SMB四款固体上面级。


0.0.1 序言


1990年7月16日,随着长征2E火箭携带着澳普图斯卫星模拟星和Badr-A发射升空,中国航天迈开了全新的一步。然而我们知道澳普图斯卫星是一颗静止轨道卫星,但是长征2E只能发射低轨道。要把卫星从低轨道送到远地点35786km的地球静止转移轨道,需要一个第三级。长征2E火箭使用了PKM固体上面级来执行这一任务。PKM的首飞,代表着中国的固体火箭上面级正式迈入了空间应用阶段。


本篇将介绍中国飞行过和计划过的数款上面级,包括SD,SM,SMA,SMB,PKM,EPKM,OMS。


长征2C-SM发射 图源:Gunter’s Space


https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/cz-2c-2-sd.htm


0.1.0 CTS系列


CTS中的C代指长征2C,广义来说CTS是所有长征2C固体上面级的统称,包括SD,SM,SMA,SMB四款固体上面级。


0.1.1 SD上面级


SD意为Smart Dispenser,智能分配器,也称作FP上面级。1997年9月1日,长征2C-SD火箭在太原首飞,将两颗Iridium模拟星Iridium MFS-1/Iridium MFS-2送入619×627km,倾角86.3°的轨道。随后,长征2C-SD火箭又执行了六次发射任务,分别将Iridium42/44,Iridium51/61,Iridium69/71,Iridium76/78,Iridium88/89,Iridium92/93总计十二颗铱星送入轨道。


SD上面级发射记录 图源:Gunter’s Space Page


https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/cz-2c-2-sd.htm


在太原整备的长征2C-SD


SD上面级使用一台FG-47固体火箭发动机作为主动力,采用三轴稳定方案。安装有独立的导航控制系统及姿控系统,并且配备有离轨固体发动机。SD组级在与载荷分离后将自行滑行约200秒随后点火离轨。SD上面级是我国第一个具有自主控制能力的上面级。SD上面级拥有一个智能的双星分配器,用来部署两颗铱星。


由于SD上面级与SMA上面级技术状态基本一致,更多的资料将在SMA上面级中介绍。


长征2C-SD封罩


图源:撼天记


长征2C-SD在做与载荷对接的准备


图源:撼天记


0.1.2 SM上面级(CTS上面级)


在太原LC-7整备的长征2C-SM


长征2C-SM整流罩在转运


SM意为上面(ShangMian),而不是Solid Motor。狭义的CTS上面级也专指SM上面级。其实CTS和SM技术略有差异但是很小,可以认为CTS即为SM上面级。该上面级用于执行地球静止转移轨道和大椭圆地球轨道发射任务。该上面级仅飞行两次。2003年12月30日,长征2C-SM完成首飞,将重350kg的探测一号卫星送入555km×78051km,倾角28.5°的大椭圆地球轨道。随后在2004年7月25日,长征2C-SM将重343kg的探测二号卫星送入681×38278km,倾角90度的极地轨道。


SM上面级发射记录,图源 Gunter’s Space Page


https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/cz-2c-2-cts.htm


SM上面级采用一台8FG57-2C型固体火箭作为主动力,采用自旋稳定方案。由上面级进行起旋/消旋动作。8FG57-2C发动机系统由燃烧室、燃烧室壳体、喷管、安全点火装置等组成,推进剂选用端羟基聚丁二烯,药型采用双燃速推进剂串装药柱方案。燃烧室由玻璃纤维缠绕复合材料壳体、铸铝裙、丁羟复合推进剂、双燃速翼柱形药柱和内绝热层等组成。喷管为潜入式固定喷管,由喉衬、密封套、堵盖、绝热扩散段和铸钛壳体组成。安全点火装置由电机式保险机构、钝感点火器、点火发动机和直属件组成。


由于发射探测双星对上面级的速度增量需求偏大(>2000dv),采用三轴稳定的上面级需要更大的姿态控制系统,导致上面级超重而长征2C可能无力发射组合体入轨。所以SM使用了自旋稳定模式。


SM上面级长3m,直径1.4m。自重3300kg,装载有2600kg端羟基聚丁二烯固体火箭推进剂,8FG57-2C火箭发动机真空推力100kN,真空比冲2803N·s/kg,工作时间74s。SM上面级变轨段旋转速度为240°/s(40rpm)。长征2C-SM火箭具备1.25吨的地球静止转移轨道运载能力。


SM上面级性能


图源《世界航天运载器大全2007版》P48


8FG57-2C发动机推力曲线


图源《长征二号丙运载火箭自旋稳定固体上面级的研制》


两次SM上面级飞行的固体发动机流量曲线对比(蓝线为首飞,红线为第二次飞行)


图源《长征二号丙运载火箭自旋稳定固体上面级的研制》


SM上面级首飞偏航姿态角


图源《长征二号丙运载火箭自旋稳定固体上面级的研制》


有意思的是,研发人员低估了8FG57-2C发动机的比冲,导致长征2C-SM首飞将探测一号卫星远地点打高了将近10000km。同时SM上面级在首飞时章动程度过大,导致探测一号升交点赤经超差。在探测二号的发射时,这些问题均被修正。


SM上面级结构


图源《长征二号丙运载火箭自旋稳定固体上面级的研制》


SM上面级结构由卫星支架、固体发动机、过渡支架等组成。卫星支架除实现星箭机械接口的功能外,还同时承担上面级仪器舱和姿控设备舱的功能。卫星支架外侧环形仪器安装板提供上面级控制系统和遥测系统仪器设备的安装空间;卫星支架内部设置两根平行梁,安装有上面级姿控系统的推进剂贮箱、气瓶、管路和阀件等;卫星支架外部象限线位置设置 4 个悬臂, 悬臂末端安装有上面级姿控系统的发动机喷管。


这种总体布局方案的特点主要有:


1.将姿控系统推进剂贮箱安装在纵轴附近,可有效控制飞行过程中由于推进剂消耗而引起的质心横移;


2.将姿控系统的发动机喷管安装在远离火箭纵轴的悬臂末端,使控制力臂达到最大,可显著提高姿态控制及主动章动控制的效果,节省推进剂消耗量、减轻质量;


3.将控制和遥测系统仪器设备安装在卫星支架外侧的环形仪器安装板上,可便于仪器、设备的安装和更换。同时远离固体发动机喷管,热环境条件较好。


上面级控制系统方案采用 “捷联惯性测量组合+箭载计算机+开关放大器+姿控喷管”控制体制。捷联惯性测量组合敏感火箭的姿态运动,由 箭载计算机完成姿态解算及控制计算,并输出控制指令给开关放大器,使姿控喷管开启或关闭,从而产生控制力。


SM上面级飞行全过程为:控制起旋前粗控段(上面级滑行段)、起旋前调姿段、起旋前精控段、第1次起旋段、起旋后稳定段、变轨段(上面级固体发动机工作段)、消旋段、消旋后稳定段、滚动角调整段、星箭分离前调姿段、第2次起旋前精控段、分离前起旋段、分离前稳定段、星箭分离前后停控段、卫星分离后消旋段、第2次消旋后稳定段、离轨前调姿段、离轨段等18个飞行段。SM上面级设有姿态控制系统,用于调整上面级/载荷姿态并且调整转速。


技术厂房中的长征2C-SM·探测二号卫星


图源:《太空探索》2007年第8期


SM上面级结构图


图源:《世界航天运载器大全2007版》P48


姿控发动机的作用是在上面级与二子级分离后提供上面级的姿态控制力。系统由气瓶、电爆阀、减压器、充气阀、贮箱、破裂膜片、过滤器、推力室、电磁阀和加注阀等组成 (见下图),推进剂采用单推三。姿控发动机系统采用球柱形囊式贮箱,其用途是储存和输送发动机工作所需推进剂,并保证增压气体和推进剂的有效隔离。贮箱 由壳体、胶囊和加注泄出组件组成。球柱形贮箱采用箍带及支架固定在卫星支架横梁的中间部位,球形气瓶、减压器、电爆阀及气瓶压力传感器组成一个气瓶支架模块,通过螺栓固定在卫星支架横梁上。推力器分为 4个双机组模块,每个机组模块分别通过螺栓与 4个象限支架悬臂端面对接。俯仰、偏航推力室的推力线与箭体轴线平行,滚动推力室的推力线与箭体轴线垂直。充气阀、加注阀及电缆支板安装在卫星支架舱壁上。


长征2C-SM上面级姿态控制发动机原理


图源:《世界航天运载器大全2007版》P50


长征2C-SM整流罩内部布局和包络


图源:《世界航天运载器大全2007版》P49


2001年3月24日,中国和韩国签订了使用长征2C-CTS(即长征2C-SM)发射KOMPSAT-2卫星的订单,然而最后该订单无疾而终。2012年,中国长城工业集团有限公司(简称长城公司)与西班牙巴塞罗那Galactic Suite Moon Race S.L公司(简称GSMR公司)在巴黎签署了用长二丙火箭发射GSMR公司月球探测器的发射服务合同。根据合同,长城公司将为由GSMR公司牵头研制的月球探测器提供发射服务,发射计划于2014年下半年在我国西昌卫星发射中心实施,但是最后订单也被取消。具体可看专栏https://www.bilibili.com/read/cv6525055


长征2C-SM发射的预定时序


图源:《世界航天运载器大全2007版》P53


0.1.3 SMA上面级


长征2C-SMA发射实践九号A/B双星,图源Gunter’s Space Page


https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/cz-2c-3-sma.htm


厂房中准备对接的PRSS-1,右侧是SMA上面级


SMA上面级意为上面甲(Shangmian A),用于搭配长征2C火箭执行太阳同步轨道发射任务。长征2C-SMA上面级仅飞行三次。分别将环境一号A/B双星,实践九号A/B双星,巴基斯坦遥感卫星一号/科学实验卫星PakTES-1A送入轨道。


SMA上面级发射记录,图源Gunter’s Space Page


https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/cz-2c-3-sma.htm


SMA上面级使用一台FG-47型固体火箭发动机作为主动力,采用三轴稳定方案。和SD上面级一样安装有独立的导航控制系统及姿控系统,并且配备有离轨固体发动机。FG-47发动机由燃烧室、燃烧室壳体、喷管和安全点火装置等组成,推进剂采用端羟基聚丁二烯。长征2C-SMA可以串联或者并联发射“一箭双星”,如下图。


长征2C-SMA火箭罩内结构布局,左为并联双星,右为串联双星


图源:《世界航天运载器大全2007版》P54


SMA上面级长1.2m,直径2.7m,自重960kg,装载有120kg端羟基聚丁二烯固体火箭推进剂。FG-47发动机真空推力10kN,真空比冲2814N·s/kg,工作时间35s。长征2C-SMA具备700km太阳同步轨道2.0吨的运载能力。


SMA结构布局


图源:《世界航天运载器大全2007版》P54


SMA结构布局II


图源:《运载火箭上面级姿控技术研究》


上面级结构由分配器和有效载荷支架等组成,固体推进剂发动机安装在分配器中部。若采用串联双星发射,上面级还包括上星支架、下星支架、筒段支架和杆系等结构。下星通过下星支架、转接框与分配器结构相连:上星则通过上星支架、筒段支架、杆系结构与分配器结构相连。以上结构的分离过程:上面级调姿使上星先分离,再调姿使包裹下星的筒段支架 (上半部分)与上星支架分离,最后上面级调姿变轨使下星分离。分配器主结构包括环框、井字梁、蜂窝仪器安装板等部分,井字梁的下缘板与固体推进剂发动机连接,井字梁上端面安装有蜂窝仪器安装板,姿控发动机喷管安装在环框4个象限位置。


长征2C-SMA整流罩内包络


图源:《世界航天运载器大全2007版》P55


FG-47固体火箭发动机结构图


图源:《世界航天运载器大全2007版》P55


长征2C-SMA发射时序图


图源:《世界航天运载器大全2007版》P55


0.1.4 SMB上面级


该上面级计划于十三五期间首飞,然而截止到2020年7月底,并无消息。


有关SMB的消息


0.2.0 ETS系列


ETS中的E指代长征2E,广义来说ETS是所有长征2E固体上面级的统称,包括PKM,EPKM,ETS(OMS)三款固体上面级。


0.2.1 PKM上面级


长征2E首飞


PKM意为近地点发动机(Perigee Kick Motor),用于和长征2E火箭搭配发射地球静止轨道卫星。PKM上面级仅飞行一次。1990年7月16日,长征2E-PKM上面级进行了首次飞行。长征2E火箭基础级飞行正常,但是带着模拟星的上面级分离姿态错误,最后没有追踪到模拟星的轨道。推测是PKM正常点火,但由于姿态错误,反而将模拟星推回了大气层。另一颗小卫星Badr-A则成功部署,编号为1990-059A。


PKM上面级飞行记录,图源Gunter’s Space Page


https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/cz-2e.htm


PKM上面级使用一台FG-46固体火箭发动机,采用自旋稳定方案。技术状态与EPKM基本一致,更多数据将在EPKM上面级中介绍。


众所周知,PKM只是个轨道调整级


0.2.2 EPKM上面级


EPKM意为长征2E近地点发动机(LM-2E Perigee Kick Motor),用于和长征2E火箭搭配发射地球静止轨道卫星。EPKM上面级飞行两次。1995年11月28日,长征2E-EPKM首飞将AsiaSat-2送入轨道,随后在12月28日又将EchoStar-1送入轨道。然而随着长征2E火箭的退役,EPKM也随之退出了历史舞台。


EPKM上面级飞行记录,图源Gunter’s Space Page


https://space.skyrocket.de/doc_lau_det/cz-2e.htm


EPKM上面级使用一台FG-46固体火箭发动机,采用自旋稳定方案。由长征2E火箭末级执行起旋。EPKM没有自主姿态控制系统,仅安装了一个闹钟(机械定时装置)用来控制点火。FG-46发动机燃烧室由燃烧室壳体,燃烧室内绝热层,衬层和药柱组成药柱尾端面设计了人工脱粘层结构。燃烧室壳体材料为玻璃纤维增强塑料, 前、后裙材料为ZL205A高强度铸造铝合金, 壳体外壁有防静电层。FG-46采用端羟基聚丁二烯固体火箭推进剂,使用潜入式固定喷管 ,整体粘碳/碳复合材料喉衬。点火装置包括电发火管、点火药盒和点火发动机。使用2个DHQ-3G单桥电发火管并联点燃黑火药包进行主发动机点火。


EPKM上面级全长3.62m,直径1.7m,自重6001kg,装载有5444kg端羟基聚丁二烯固体火箭推进剂。FG-46发动机真空最大推力204kN,平均推力179.2kN,真空比冲2863.5N·s/kg,工作时间87s。EPKM上面级变轨段旋转速度为240°/s(40rpm)。长征2E-EPKM具备3.5吨的地球静止转移轨道运载能力。


EPKM上面级的性能参数


图源:《中国航天用几种固体火箭发动机简介(五)·EPKM近地点发动机》


PKM/EPKM三次发射的性能参数


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


EPKM上面级发动机结构图


图源:《中国航天用几种固体火箭发动机简介(五)·EPKM近地点发动机》


长征2E-EPKM整流罩布局


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


长征2E-EPKM飞行高度和过载图


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


长征2E-EPKM发射行星际任务运载能力图


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


长征2E-EPKM飞行时序


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


0.2.3 ETS上面级


ETS意为长征2E转移级(LM-2E Transfer Stage),用于和长征2E火箭搭配发射近地轨道和太阳同步轨道卫星。长征2E-ETS原计划一箭十二星发射全球星,后来由于长征三号乙首飞失败而取消,未进行过发射。


ETS上面级包括一部OMS固体火箭发动机/姿态控制系统和一个智能分配器,采用三轴稳定模式。OMS也采用潜入式固定喷管。


ETS上面级全长1.5m,直径0.99m,自重940kg,真空推力22kN,真空比冲2744N·s/kg,工作时间75s*。长征2E-ETS具备6060kg的1000kmLEO运载能力,4340kg的1000kmSSO运载能力。


ETS上面级结构图


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


OMS系统的布局


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


长征2E-ETS飞行高度和过载图


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


长征2E-ETS运载能力图


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


长征2E-ETS发射低地球轨道的步骤


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


长征2E-ETS发射低地球轨道的时序


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


0.3.1 总结


尽管中国的固体运载火箭上面级不像美国的Star系列一样大放光彩,但是EPKM和SD上面级支撑中国走过了九十年代短暂的开放发射年代,成功发射了多颗卫星。不得不说,虽然中国已经服役了远征系列上面级来取代这些只能一次启动的固体上面级,但是对于发射高能轨道,固体的kickstage远比复杂的液体上面级高效,也意味着中国在未来仍然需要一款高性能的固体发动机来执行深空任务。我们不会忘却那些渐渐退役的固体上面级,因为它们在中国航天的艰难十年中和后面的厚积薄发中,起到了重要的甚至不可替代的作用。


LM-51D-YZ4D2. Presents.


*:2E用户手册关于ETS的Working Time写的是75s,然而下文Flight Sequence是60s。


Working Time 75s


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


ETS Flight Sequences里是3283.580-3223.983=59.597s


图源:《China-s-Long-March-2E-Launch-Vehicle-Users-Manual》


鸣谢:


感谢aKSP航天探索协会-对长征2E-ETS的时序图进行处理;


感谢RL-10_Centaur提供的长征2E-ETS飞行计划;


感谢FexsiScarletkaze对本文进行审核并提供了有用的建议。


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