新火箭，新長征

火亮

2016年6月25日，我國首枚新—代中型運載火箭“長征”7號在新建的海南文昌發(fā)射場順利升空.把“遠征”1A上面級、多用途縮比返回艙等載荷組合體送入近地點200千米、遠地點394千米的橢圓軌道，這標(biāo)志著“長征”7號首飛任務(wù)取得圓滿成功，從而全面拉開我國載人航天工程空間實驗室任務(wù)的序幕。物美價廉新火箭

“長征”7號是為滿足我國載人航天工程，發(fā)射貨運飛船而研制的新一代高可靠、高安全的中型運載火箭。2011年3月立項啟動，由中國航天科技集團公司一院抓總研制。該火箭的最早原型是“長征”2F換發(fā)型（H型）。

“長征”7號綜合了“長征”2F的成熟技術(shù)和“長征”5的新技術(shù)，最大的變化是其火箭發(fā)動機由原來常溫的偏二甲肼/四氧化二氮發(fā)動機改為新研制低溫的液氧/煤油發(fā)動機。后者被譽為世界航天動力領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰，技術(shù)十分復(fù)雜。因為液氧的溫度為-183℃。試想海南的溫度，所以為了火箭保持低溫，防水隔熱要面面俱到。必須通過絕熱方式對火箭進行嚴格控制，工程師們給“冰箭”穿上“絕熱服”，保證火箭不被熱量“入侵”。低溫貯箱外表的一層1～2厘米厚的密度極低的隔熱結(jié)構(gòu)也像給火箭披上了一件“衣服”。有了這件“衣服”，盡管推進劑溫度如此之低，但是火箭外表面溫度依然可以保持在0℃以上，可防止推進劑貯箱外表面溫度過低導(dǎo)致的結(jié)冰，以及極低溫度對儀器、電纜等的影響。

之所以用低溫的液氧/煤油發(fā)動機替換以前的偏二甲肼/四氧化二氮發(fā)動機，是因為用液氧煤油發(fā)動機優(yōu)點多多。首先，其可以顯著提高火箭的運載能力，“長征”7上的120噸級液氧/煤油發(fā)動機采用了世界上最先進的高壓補燃循環(huán)系統(tǒng)，其比沖比常規(guī)發(fā)動機提高了20%，推力比現(xiàn)有“長征”系列運載火箭發(fā)動機提高了60%以上，把我國火箭的近地軌道運載能力由8.5噸一下提高到13.5噸。

液氧/煤油推進劑還是綠色環(huán)保的，液氧和煤油燃料燃燒后產(chǎn)生的二氧化碳和水，不會對環(huán)境造成任何污染。全箭采用了我國具有自主知識產(chǎn)權(quán)、交付前可進行工藝試車的兩種液氧/煤油發(fā)動機，無毒、無污染，它的研制成功并實現(xiàn)太空飛行，實現(xiàn)了我國火箭動力從常規(guī)有毒至綠色無毒的巨大跨越，秉承了中國航天綠色環(huán)保的發(fā)展理念，順應(yīng)國際潮流。

還有一個十分重要的原因就是該燃料來源廣泛、價格低廉。平均價格比現(xiàn)役火箭的推進劑低一個數(shù)量級，其中作為燃燒劑的煤油每噸價格為1萬元，而偏二甲肼每噸價格為8.2萬元；作為氧化劑的液氧每噸價格為2000元，而四氧化二氮每噸價格為1.8萬元，平均成本僅為常規(guī)推進劑的1/10強。發(fā)射“神舟”飛船的“長征”2F火箭如果采用液氧/煤油作為推進劑，每次發(fā)射可以節(jié)約推進劑費用上干萬元。

而且液氧/煤油發(fā)動機可以重復(fù)使用，一旦我們掌握了火箭回收技術(shù)，就有望重復(fù)使用液氧/煤油發(fā)動機，從而大大降低火箭的發(fā)射成本。

“數(shù)字火箭”新法寶

“長征”7是我國首枚采用全數(shù)字化手段研制的“數(shù)字火箭”。它從設(shè)計到生產(chǎn)均采用全三維數(shù)字平臺，標(biāo)志著中國運載火箭邁入了全生命周期數(shù)字化的大門。

該火箭在全研制流程沒有一張紙質(zhì)圖紙，火箭設(shè)計從紙質(zhì)“連環(huán)畫”變成了“3D電影”。在生產(chǎn)加工階段火箭實現(xiàn)了“—鍵式”加工。在原來，工藝員加工某金屬零部件，首先要根據(jù)二維圖紙畫出工序草圖、手工編制工藝規(guī)程，然后進行車、銑、鏜等系列工序。現(xiàn)在，從原材料變?yōu)槌善罚恍璋磩訑?shù)控機床按鈕即可完成，且合格率達100%，可謂是一鍵定“乾坤”，極大地提升了生產(chǎn)質(zhì)量和效率。

在試驗、裝配階段，“數(shù)字火箭”應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實技術(shù)”，對火箭進行虛擬裝配、虛擬試驗，真實模擬火箭實際裝配和試驗環(huán)境，提前預(yù)見可能發(fā)生的問題，確保了火箭試驗、裝配“一次成”?！伴L征”7號火箭的首飛成功，代表了我國60年運載火箭研制領(lǐng)域的最高水平，標(biāo)志著我國新一代運載火箭在數(shù)字化設(shè)計能力上已躋身國際先進行列。

“長征”7基本型箭體總長53.1米。芯一級直徑為3.35米，裝有2臺單臺推力為120噸的雙擺液氧/煤油發(fā)動機YF-100；芯一級還并聯(lián)了4個直徑均為2.25米的助推器，每個裝有1臺單臺推力為120噸的單擺液氧/煤油發(fā)動機YF-100。芯二級直徑為3.35米，裝有4臺單臺推力為18噸的雙擺液氧/煤油發(fā)動機YF-115。助推器長約27米，接近現(xiàn)役火箭助推器長度的2倍?；鸺龔?fù)雜的結(jié)構(gòu)，給火箭的“大腦”控制系統(tǒng)也帶來了全新的挑戰(zhàn)，為了更好的控制火箭的飛行過程，將航天器精確送入軌道，控制系統(tǒng)創(chuàng)新采用了143項智能控制軟件，.這是現(xiàn)役火箭軟件使用量的30倍以上，大大提高了控制精確度，“長征”7是按照載人航天標(biāo)準設(shè)計的火箭，控制系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)實現(xiàn)了冗余，設(shè)計可靠性得到大幅高。在每個艙段中安裝控制系統(tǒng)，改變了以往集中處理的方式，減輕了控制系統(tǒng)壓力，也標(biāo)志著我國火箭控制系統(tǒng)已向全面數(shù)字化控制模式發(fā)展。

抗雨抗風(fēng)新功能

由于“長征”7的首飛是我國運載火箭第一次在新建的低緯度發(fā)射場——海南文昌航天發(fā)射場發(fā)射，所以在“長征”7火箭的設(shè)計中，如何適應(yīng)全新發(fā)射場的環(huán)境一直是研制人員關(guān)注的重點。

因為海南發(fā)射場氣候潮濕，全年降水量大且濕度高，前面我們提到“長征”7的燃料中有液態(tài)氧，它的溫度是-183℃，因此火箭表面會出現(xiàn)水蒸氣凝結(jié)的現(xiàn)象。所以“長征”7采用防風(fēng)防水設(shè)計，并滲透到了每個設(shè)計細節(jié)當(dāng)中。在常規(guī)型號中，用來平衡整流罩內(nèi)外壓力的排氣孔，在內(nèi)陸發(fā)射時不用做單獨的防水，但是在“長征”7火箭的身上，排氣孔也做了專門的防水措施，使“長征”7在中雨時也能發(fā)射。

火箭能抗8級大風(fēng)。在內(nèi)陸戈壁的發(fā)射場，風(fēng)速一般為9米/秒左右，而文昌發(fā)射場的風(fēng)速經(jīng)常達到20米/秒。為了保證火箭時刻都站得住站得穩(wěn)，設(shè)計人員專門為它設(shè)計了防風(fēng)減載裝置，可以在8級大風(fēng)的情況下進行垂直轉(zhuǎn)運，抗風(fēng)能力為目前長征家族之最。我國臺風(fēng)預(yù)測能力僅能提前1周，以往火箭所有的管路連接以及測試驗證都是在發(fā)射陣地進行，大概需要20天左右的時間。如今天氣的不確定性，使火箭不能在發(fā)射陣地如此長時間工作。為此，設(shè)計人員專門設(shè)計了臍帶塔，使火箭在技術(shù)陣地完成相關(guān)技術(shù)的驗證和試驗后，在轉(zhuǎn)場過程中可以保證所有連接狀態(tài)不變，到發(fā)射陣地后直接進行加注發(fā)射，縮短了在火箭發(fā)射陣地的測試時間。

以往“長征”火箭推進劑停放時間很短，而“長征”7號推進劑可安全停放24小時。火箭推進劑安全停放時間長，就能靈活應(yīng)對多種發(fā)射需求，而且在發(fā)射前程序最為復(fù)雜的階段減少了工作量，可以為成功發(fā)射爭取更多有利時間，提高可靠性。

火箭在發(fā)射場進行的垂直總裝、垂直測試、垂直轉(zhuǎn)場，被稱為“三垂模式”?，F(xiàn)役火箭中采用的“三垂模式”，其箭地連接工作在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)要進行兩次，而“長征”7采用“新三垂模式”，僅一次對接就可以完成工作，狀態(tài)的一致性更好，且前端地面測發(fā)控設(shè)備在技術(shù)區(qū)進行了充分測試，轉(zhuǎn)至發(fā)射區(qū)以后出現(xiàn)故障的概率更低，有效提高了發(fā)射的可靠性，同時也縮短了發(fā)射工作時間，降低了火箭轉(zhuǎn)場后遇到惡劣天氣再返回技術(shù)區(qū)的情況發(fā)生。

因為“長征”7火箭是采用海運方式從天津運到文昌航天發(fā)射場的，過載環(huán)境主要表現(xiàn)為低頻晃動。過載環(huán)境差會危害火箭的結(jié)構(gòu)。為此，我國專家設(shè)計出了一整套運載火箭海上環(huán)境保障措施和火箭集裝箱減搖減振的手段，并使火箭貨艙內(nèi)始終維持適宜的溫、濕度及鹽霧度。火箭海運過程中，在火箭的芯一級、芯二級、助推器、整流罩上，及它乘坐的船上、裝載的集裝箱上布了30個測點。結(jié)果表明，其過載環(huán)境數(shù)據(jù)不僅優(yōu)于設(shè)計值，而且僅為鐵路運輸過載環(huán)境數(shù)據(jù)的1/3、公路運輸?shù)?/2。過載數(shù)據(jù)值越低，火箭的運輸環(huán)境就越平穩(wěn)，對火箭結(jié)構(gòu)的影響就越小，這有利于火箭安全抵達目的地。所以專家稱，火箭走公路、鐵路，就像坐‘硬板床；乘船走海運，就好似坐‘沙發(fā)?！?/p>

海南文昌新基地

“長征”7的這次發(fā)射也是我國首次啟用新建的海南文昌發(fā)射場發(fā)射。它于2009年9月14日正式開工，2014年10月中旬基本竣工。目前可以發(fā)射“長征”5、7系列運載火箭。未來將主要承擔(dān)貨運飛船、大噸位空間站、地球同步軌道衛(wèi)星、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星、深空探測衛(wèi)星等航天器發(fā)射任務(wù)。

與使用多次的甘肅酒泉、山西太原、四川西昌3個老航天發(fā)射場相比，低緯度濱海發(fā)射基地——海南文昌航天發(fā)射場，發(fā)射塔離海僅800米，具有緯度低、發(fā)射效率高、射向?qū)?、落區(qū)安全性好、海運便捷等優(yōu)勢。

從那里發(fā)射的火箭，其發(fā)射方向1000千米范圍內(nèi)是茫茫大海，所以火箭航區(qū)、殘骸落區(qū)的安全性好，墜落的殘骸不易造成意外?；鸺l(fā)射后其第一級火箭墜落于南海，即可以避免對居民人生安全的傷害，又可以避免地面危害。而在酒泉、太原、西昌發(fā)射中心，每次發(fā)射火箭，都要臨時遷移大批居民，以防止第一級火箭墜落時對當(dāng)?shù)鼐用竦膫Α?/p>

海南文昌航天發(fā)射場位于北緯19°，因而具備了低緯度的優(yōu)勢?；鸺l(fā)射場距離赤道越近、緯度越低，發(fā)射航天器時就能越大程度地借助地球自轉(zhuǎn)的線速度，以及慣性帶來的較大離心現(xiàn)象，使火箭燃料消耗大大減少，用同樣燃料可以達到的速度也更快，從而能提高地球同步軌道衛(wèi)星的運載能力。西昌、太原、酒泉發(fā)射場的緯度分別為28°、38°、41°。據(jù)悉，在文昌發(fā)射地球同步衛(wèi)星比在西昌發(fā)射火箭的運載能力可提高10%～15%。并且入軌角度比較好，僅在校正夾角上減少衛(wèi)星調(diào)姿消耗的燃料就可使衛(wèi)星壽命延長2年以上，效費比高。

發(fā)射基地選在海南，火箭可以通過海路運輸，火箭的大小就不受鐵路運輸?shù)南拗?。我國“長征”2、3、4等系列火箭由于受到鐵路運輸?shù)南拗?，主要是受涵洞大小的影響，其組件的最大直徑只能限制在3.5米。今年晚些時候，我國還將在文昌航天發(fā)射場首次發(fā)射“長征”5新一代大型運載火箭，其芯級的直徑為5米，用公路、鐵路運輸都難以滿足要求，只能采用海運。

責(zé)任編輯：武瑾媛