中國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭總體方案及發(fā)展展望

范瑞祥，王小軍，程堂明，徐利杰，馬 英

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

中國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭總體方案及發(fā)展展望

范瑞祥1，王小軍1，程堂明2，徐利杰2，馬 英2

（1. 中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京，100076）

長(zhǎng)征七號(hào)（代號(hào)CZ-7）運(yùn)載火箭是為了滿足中國(guó)載人空間站工程貨運(yùn)飛船發(fā)射任務(wù)而全新研制的新一代無(wú)毒無(wú)污染中型運(yùn)載火箭。在空間站運(yùn)行階段，CZ-7火箭可滿足貨運(yùn)要求并減少年發(fā)射次數(shù)，有利于降低空間站的維護(hù)成本，便于發(fā)射任務(wù)的組織實(shí)施。CZ-7火箭對(duì)未來(lái)主戰(zhàn)場(chǎng)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)具有良好的適應(yīng)性，是新一代中型運(yùn)載火箭系列的基本型，通過(guò)貨運(yùn)飛船和主戰(zhàn)場(chǎng)衛(wèi)星的發(fā)射可靠性子樣積累，后續(xù)可用于發(fā)射載人飛船。2016年6月25日，CZ-7運(yùn)載火箭成功完成了首次飛行試驗(yàn)。對(duì)CZ-7火箭總體方案進(jìn)行了介紹，并對(duì)新一代中型運(yùn)載火箭的發(fā)展做了展望。

新一代中型運(yùn)載火箭；總體方案；CZ-7

0 引 言

航天技術(shù)是國(guó)家綜合實(shí)力的重要組成和標(biāo)志之一，進(jìn)入空間的能力是綜合國(guó)力和科技實(shí)力的重要標(biāo)志。1970年中國(guó)第1次成功發(fā)射人造衛(wèi)星，標(biāo)志著中國(guó)人獨(dú)立自主地掌握了進(jìn)入空間的能力。經(jīng)過(guò)50余年的發(fā)展，中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭走過(guò)了從常溫推進(jìn)到低溫推進(jìn)、從串聯(lián)到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射載人飛船的技術(shù)歷程，逐步發(fā)展成為由多種型號(hào)組成的大家族，具備進(jìn)入低、中、高等多種軌道的能力，入軌精度達(dá)到了國(guó)際先進(jìn)水平。

然而，中國(guó)現(xiàn)役長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭面臨運(yùn)載能力不滿足更長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展需求的問(wèn)題：有毒推進(jìn)劑全產(chǎn)業(yè)鏈環(huán)境危害大，從推進(jìn)劑的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用、試驗(yàn)、銷毀到殘骸內(nèi)剩余推進(jìn)劑的處理等均需付出很大代價(jià)，不符合綠色環(huán)保的國(guó)際潮流；已有發(fā)射場(chǎng)均處于內(nèi)陸，落區(qū)選擇越來(lái)越困難，而且不利于對(duì)外開(kāi)放和國(guó)際交流合作。

為了滿足中國(guó)未來(lái)航天發(fā)展的需求，國(guó)家決策開(kāi)展新一代運(yùn)載火箭的研制，以滿足載人航天工程、月球探測(cè)等重大專項(xiàng)工作的需要并實(shí)現(xiàn)中國(guó)運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代。在此背景下，長(zhǎng)征七號(hào)（代號(hào)CZ-7）火箭應(yīng)運(yùn)而生。CZ-7火箭是為了滿足中國(guó)載人空間站工程貨運(yùn)飛船發(fā)射任務(wù)而全新研制的新一代無(wú)毒無(wú)污染中型運(yùn)載火箭，其成功研制將為其他衍生構(gòu)型的發(fā)展奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。2016年6月25日在新建成的海南文昌發(fā)射場(chǎng)，CZ-7火箭首次飛行試驗(yàn)取得圓滿成功。這標(biāo)志著中國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭在技術(shù)和工程應(yīng)用上取得了重大突破。

1 總體方案

CZ-7火箭為帶助推器的2級(jí)火箭，各級(jí)均采用了新研發(fā)的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)以及為適應(yīng)發(fā)動(dòng)機(jī)而研制的低溫增壓輸送系統(tǒng)。助推器直徑2.25 m，安裝1臺(tái)1200 kN液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-100，發(fā)動(dòng)機(jī)單向擺動(dòng)參與姿態(tài)控制；芯一級(jí)直徑3.35 m，并聯(lián)安裝2臺(tái)1200 kN液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-100，發(fā)動(dòng)機(jī)雙向擺動(dòng)參與姿態(tài)控制；芯二級(jí)直徑3.35 m，并聯(lián)安裝4臺(tái)180 kN液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-115。

CZ-7火箭總長(zhǎng)53.1 m，起飛質(zhì)量約597 t，起飛推力約735 t。在海南發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，按軌道高度200 km/ 400 km、軌道傾角42°計(jì)算，運(yùn)載能力不低于14 t?；鸺龢?gòu)型如圖1所示。飛行過(guò)程中火箭主要經(jīng)歷起飛、程序轉(zhuǎn)彎、助推器分離、一二級(jí)分離、整流罩分離、星箭分離等動(dòng)作，主要事件如表1和圖2所示。

圖1 CZ-7火箭構(gòu)型

表1 CZ-7火箭主要飛行動(dòng)作事件

圖2 CZ-7火箭主要飛行時(shí)序

火箭姿態(tài)控制采用助推器與芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)聯(lián)合搖擺控制方案，助推器與芯一級(jí)之間的連接采用三支點(diǎn)超靜定捆綁方案，有效地提高了助推器局部模態(tài)頻率。

火箭在發(fā)射場(chǎng)發(fā)射工位采用近距離光學(xué)平瞄方案?；鸺痫w后自主滾轉(zhuǎn)完成射向?qū)?zhǔn)，以適應(yīng)不同發(fā)射任務(wù)對(duì)射向的要求。

箭體采用“海運(yùn)＋公路”運(yùn)輸方式，完成總裝測(cè)試后的箭體各模塊裝入集裝箱，在天津港裝船，海運(yùn)至海南清瀾港，然后通過(guò)公路運(yùn)輸將集裝箱運(yùn)至發(fā)射場(chǎng)。1枚CZ-7火箭采用1艘火箭運(yùn)輸船運(yùn)輸。

火箭采用“新三垂”發(fā)射模式，垂直總裝、垂直測(cè)試、垂直運(yùn)輸?；鸺岸说臏y(cè)試發(fā)射控制設(shè)備均放置在經(jīng)過(guò)減振、隔噪的活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)前置設(shè)備間內(nèi)?；鸺D(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中保持箭-地的氣、液、電連接狀態(tài)不變，取消了箭-地連接的脫落插頭。在發(fā)射陣地僅完成簡(jiǎn)單的功能檢查后，即可進(jìn)入推進(jìn)劑加注、預(yù)冷、點(diǎn)火等臨射程序，縮短了發(fā)射區(qū)準(zhǔn)備時(shí)間?；鸺痫w過(guò)程中采用噴水系統(tǒng)對(duì)發(fā)射臺(tái)和火箭底部進(jìn)行降溫、降噪。

2 主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)

作為中國(guó)全新研制的新一代運(yùn)載火箭，CZ-7火箭具有完全自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)，研制階段共突破了11項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)和96項(xiàng)創(chuàng)新技術(shù)。新技術(shù)均通過(guò)了首次飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證。主要技術(shù)創(chuàng)新點(diǎn)包括：

a）全液氧/煤油構(gòu)型，實(shí)現(xiàn)了近地軌道運(yùn)載能力的跨越。

本研究利用多種研究方法，在多個(gè)層面上分析橫店影視職業(yè)學(xué)院足球選項(xiàng)課發(fā)展中存在的問(wèn)題，并在此基礎(chǔ)上提出相應(yīng)的對(duì)策。本研究的成果對(duì)提高大學(xué)生足球?qū)W習(xí)的積極性，提高高校足球的教學(xué)質(zhì)量，豐富高校足球文化，進(jìn)一步推動(dòng)全民健身計(jì)劃的開(kāi)展具有一定的實(shí)踐意義。

作為中國(guó)第1個(gè)全液氧/煤油動(dòng)力的運(yùn)載火箭，助推器和芯一級(jí)采用6臺(tái)新一代大推力YF-100高壓補(bǔ)燃液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)，起飛推力達(dá)到735 t。二級(jí)采用4臺(tái)YF-115高壓補(bǔ)燃液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)。突破了貯箱閉式冗余智能增壓控制、低溫火箭POGO抑制等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。

采用軸內(nèi)壓承載效率較高的等邊三角形網(wǎng)格結(jié)構(gòu)等設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)了結(jié)構(gòu)的高效和輕質(zhì)化設(shè)計(jì)，將中國(guó)中型運(yùn)載火箭近地軌道（LEO）的運(yùn)載能力由8.6 t提升至14 t以上，達(dá)到了國(guó)際同類火箭先進(jìn)水平。

b）突破和掌握了運(yùn)載火箭多發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的力、熱環(huán)境設(shè)計(jì)及防護(hù)關(guān)鍵技術(shù)。

采用工程算法、理論預(yù)示及試驗(yàn)驗(yàn)證相結(jié)合的飛行環(huán)境預(yù)示方法，解決了一級(jí)和助推器并聯(lián)使用6臺(tái)、二級(jí)并聯(lián)使用4臺(tái)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)導(dǎo)致的力、熱環(huán)境嚴(yán)酷帶來(lái)的防護(hù)難題，通過(guò)首次飛行試驗(yàn)，驗(yàn)證了理論設(shè)計(jì)的正確性。

成功研制了箭上新型輕質(zhì)隔熱及燒蝕涂層和整體防熱裝置，發(fā)射臺(tái)采取2級(jí)大流量噴水方案，前置設(shè)備間實(shí)現(xiàn)整體隔音降噪，這些力、熱防護(hù)措施突破了力、熱防護(hù)技術(shù)，通過(guò)首飛飛行試驗(yàn)的驗(yàn)證，火箭各級(jí)尾部、發(fā)射臺(tái)和前置設(shè)備間的力、熱環(huán)境防護(hù)方案效果良好，設(shè)備工作正常，重大關(guān)鍵技術(shù)得到突破。

c）采用助推器三支點(diǎn)超靜定捆綁方案。

CZ-7火箭助推器的長(zhǎng)徑比大（長(zhǎng)度與直徑之比近12），且在中國(guó)首次實(shí)現(xiàn)了助推器發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺參與火箭飛行控制。首次采用的助推器三支點(diǎn)超靜定捆綁設(shè)計(jì)方案，解決了助推器低頻模態(tài)密集、各方向模態(tài)耦合嚴(yán)重導(dǎo)致火箭飛行姿態(tài)難控制、動(dòng)力系統(tǒng)縱向耦合振動(dòng)等難題，成功攻克了助推器低頻模態(tài)辨識(shí)和控制、助推器參與搖擺控制以及火箭動(dòng)力系統(tǒng)縱向耦合振動(dòng)抑制等關(guān)鍵技術(shù)。

d）創(chuàng)新測(cè)試發(fā)射模式，解決了新建海南發(fā)射場(chǎng)的自然環(huán)境設(shè)計(jì)與防護(hù)技術(shù)難題。

在火箭垂直轉(zhuǎn)場(chǎng)過(guò)程中首次采用了防風(fēng)減載方案，減載效果達(dá)到48%以上，轉(zhuǎn)場(chǎng)50 m高度抗淺層風(fēng)的最大平均風(fēng)速由17 m/s提升至20 m/s，有效提升了垂直轉(zhuǎn)場(chǎng)概率和安全性。

全箭開(kāi)口、部段對(duì)接面、火工品及電纜網(wǎng)等均采取了防水、防潮設(shè)計(jì)，并設(shè)計(jì)了艙段干燥空氣吹除系統(tǒng)，提升了對(duì)海南發(fā)射場(chǎng)自然環(huán)境的適應(yīng)性，使火箭具備了中雨發(fā)射能力。

3 發(fā)展展望

CZ-7火箭作為中國(guó)全新研制的新一代高可靠無(wú)毒無(wú)污染中型運(yùn)載火箭，除了滿足載人空間站工程發(fā)射貨運(yùn)飛船任務(wù)外，對(duì)未來(lái)主戰(zhàn)場(chǎng)衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)也具有良好的適應(yīng)性，是新一代中型運(yùn)載火箭系列合理、優(yōu)化的基本型。通過(guò)發(fā)射可靠性子樣積累，未來(lái)可用于發(fā)射載人飛船。

對(duì)中型運(yùn)載火箭構(gòu)型的命名進(jìn)行如下約定：名稱為CZ-7XYZ，代號(hào)中的X代表級(jí)數(shù)，Y代表助推器個(gè)數(shù)，Z代表助推器類型，對(duì)有固體推進(jìn)劑助推器的構(gòu)型用S表示，對(duì)液體推進(jìn)劑助推器省略；對(duì)有上面級(jí)的狀態(tài)，增加 /SM加以區(qū)分；對(duì)芯二級(jí)采用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的構(gòu)形，增加（HO）加以區(qū)分。如捆綁2個(gè)2 m直徑的固體推進(jìn)劑助推器、芯二級(jí)采用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的2級(jí)構(gòu)型命名為CZ-722S(HO)。按照上述命名規(guī)則，基本型CZ-7代號(hào)為CZ-724，簡(jiǎn)稱為CZ-7。

3.1 載人運(yùn)載火箭

CZ-7火箭在研制過(guò)程中貫徹載人航天工程高可靠性、高安全性的研制要求，執(zhí)行載人航天工作標(biāo)準(zhǔn)。按照“一度故障工作，二度故障安全”的設(shè)計(jì)原則，火箭的飛行可靠性設(shè)計(jì)值為0.98，發(fā)射可靠性設(shè)計(jì)值為0.92。通過(guò)增加故障檢測(cè)系統(tǒng)和逃逸系統(tǒng)即可滿足載人運(yùn)載火箭的要求。

3.2 衛(wèi)星發(fā)射衍生構(gòu)型

以CZ-7火箭為基礎(chǔ)，通過(guò)調(diào)整助推器個(gè)數(shù)、增加固體推進(jìn)劑助推器、增加上面級(jí)、增加氫氧三子級(jí)，可實(shí)現(xiàn)新一代中型運(yùn)載火箭的系列化。其中，助推器和芯一級(jí)完全共用?；贑Z-7基本型火箭構(gòu)建的中型運(yùn)載火箭優(yōu)先發(fā)展的構(gòu)型包括：CZ-724、CZ-734、CZ-722/SM和CZ-722S(HO)（CZ-720(HO)），形成了一個(gè)運(yùn)載能力覆蓋較為全面的中型運(yùn)載火箭系列，詳見(jiàn)表2。圖3～5依次為CZ-7火箭LEO、太陽(yáng)同步軌道（SSO）和地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）的運(yùn)載能力覆蓋情況。

表2 CZ-7火箭及其衍生構(gòu)型

4 結(jié)束語(yǔ)

CZ-7火箭于2016年6月25日完成首次飛行試驗(yàn)，取得圓滿成功，火箭總體及各系統(tǒng)方案得到了全面驗(yàn)證，關(guān)鍵技術(shù)得到突破。CZ-7火箭的成功研制，對(duì)于構(gòu)建中國(guó)未來(lái)空間運(yùn)輸體系和加快中國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代都具有重要意義。

圖3 LEO運(yùn)載能力覆蓋情況

圖4 SSO運(yùn)載能力覆蓋情況

圖5 GTO運(yùn)載能力覆蓋情況

[1] 范瑞祥, 容易. 中國(guó)新一代中型運(yùn)載火箭的發(fā)展展望[J]. 載人航天, 2013,19(1):1-4.

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General Scheme and Development Prospects for New Generation of Chinese Medium Launch Vehicle

Fan Rui-xiang1, Wang Xiao-jun1, Cheng Tang-ming2, Xu Li-jie2, Ma Ying2
(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076; 2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Long March-7(CZ-7), as a new generation of medium and basic launch vehicle, with the design concepts of non-toxic and non-polluting , is developed for the purpose of launching a cargo space-flight to China space station. In the space station operation stage, CZ-7 meets the requirements of ensuring the freight transport while reducing the launch missions to reduce the maintenance cost and optimizing the organizational process. Based on the accumulation samples for the services of launching cargo space-flights and satellites, CZ-7 is adaptive to the mainstream satellites launch missions in the future with its characteristics of serialization and continuous optimization. CZ-7 is expected to launch a manned spacecraft in the future. CZ-7 performed its maiden flight successfully with all missions completed in 25th June, 2016. This paper presents a general review of CZ-7 in regard to the general scheme and provides references for the development prospects of medium launch vehicle series in China.

New generation medium launch vehicle; General scheme; CZ-7

V42

A

1004-7182(2016)04-0001-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160401

2016-07-19

范瑞祥（1965-），男，研究員，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)，現(xiàn)任長(zhǎng)征七號(hào)運(yùn)載火箭總設(shè)計(jì)師