长征七号即将首发,新火箭如何脱胎换骨

寒冬开梅

　　长征七号即将首发,新火箭如何脱胎换骨

　　果壳网2016-06-24 18:18:14航空航天 科技阅读(598)评论(0)

　　

　　长征七号火箭，将于6月25日至29日，在海南文昌择机发射。这将是长征七号火箭的首次发射。图片来源：CAN PHOTO

　　6月25日，长征七号火箭将在海南文昌迎来首次发射，它将主要用于发射天舟货运飞船，给中国未来的空间站运送货物。

　　其实早在2009年，中国载人航天工程网就提到过一款火箭，用于满足发射货运飞船的需求。当时火箭的编号为长征二号F/H。这里的H指的是“换发”，也就是把长征二号F火箭的老式YF-20火箭发动机，更换为新一代高压YF-100补燃液氧煤油发动机。

　　中国上一代的长征二号、长征三号和长征四号火箭都使用YF-20系列发动机作为起飞级动力。YF-20使用四氧化二氮/偏二甲肼作为推进剂，这种推进剂可以在常温下存储。老一代长征火箭使用这种推进剂，实际上是直接继承东风五号洲际导弹技术的结果。毕竟，常温可存储的推进剂有助于提高反应速度，必要时还可以加注后长期战备值班。

　　不过话说回来，运载火箭并不在乎反应速度，发射推迟几天甚至十几天都是家常便饭，这时四氧化二氮/偏二甲肼推进剂过于昂贵的价格，以及强腐蚀和剧毒污染的危险，就越发难以容忍了。而新型的YF-100发动机选用的推进剂则是液氧和煤油。

　　为什么选用液氧煤油作为推进剂？首先，液氧煤油本身无毒无污染，燃烧产物也无污染，降低了对环境和加注人员健康的影响。其次，煤油是一种常温推进剂，存储运输和加注都相当方便。

　　此外，煤油价格便宜，航天用煤油也就是每吨1万元，作为氧化剂的液氧每吨只要不到2000元，而偏二甲肼每吨要8.2万，甚至四氧化二氮每吨都要1.8万元，使用液氧煤油组合可以显著降低推进剂成本。

　　最后，液氧煤油组合的密度高比冲也较高，比冲可以等价于我们熟悉的耗油率，这意味着同等推力下一样多的推进剂火箭发动机可以工作更久，可以把火箭加速到更高的速度。高比冲的液氢液氧推进剂密度太低，高密度的四氧化二氮/偏二甲肼剧毒有污染而且比冲略低，液氧甲烷组合比冲略高但密度却要低得多。综合而言，液氧煤油是很理想的火箭推进剂组合。

　　高压补燃

　　仅仅从四氧化二氮/偏二甲肼换成液氧煤油推进剂，YF-100发动机就可以称的上是脱胎换骨了。不只如此，YF-100发动机还是一种高压补燃发动机。

　　老式的YF-20是一种开式燃气发生器循环的发动机。所谓开式循环，指的是推进剂在燃气发生器中燃烧，产生的燃气驱动涡轮后，直接排放到空气中。这会导致浪费部分推进剂。

　　YF-100发动机采用的补燃循环又称分级燃烧循环，先把一部分推进剂在燃气发生器中进行富氧燃烧，产生温度较低的大流量高能燃气驱动涡轮，随后燃气还将排入主燃烧室进行完全燃烧。

　　

　　长征七号火箭的芯一级装备了两台YF-100发动机，4台助推器也各装备了一台YF-100发动机。图片来源：作者供图

　　从推进剂使用效率来说，补燃循环的比冲要比开式循环更高。此外，补燃循环还更容易提高燃烧室压力，提高燃烧效率，进一步提高发动机比冲。根据中国工程院院士、液体火箭发动机专家张贵田院士的介绍，闭式循环比冲可以提高6%以上，对于典型的二级半火箭（即捆绑了助推器的二级火箭），起飞质量相同的话，运载能力可以提高30%，而运力相同的话，火箭起飞质量可以降低20%。

　　美国太空探索技术公司（SpaceX）的梅林1D发动机是开式循环液氧煤油发动机的巅峰之作，公开报道称梅林1D发动机的地面比冲仅有286秒，真空比冲也只有312秒，而YF-100发动机地面比冲为300秒，真空比冲更是达到了335秒之多，发动机比冲上的优势十分明显。

　　总而言之，YF-100高压补燃液氧煤油发动机使用了新的无毒无污染的廉价推进剂组合，使用了先进和高性能的高压补燃循环方案，发动机性能相当强悍。换用YF-100之后，新款火箭无论是运载能力还是运载系数都有了不小的提高，与长征二号F火箭已经大相径庭。

　　最终，这款火箭得到了长征七号的编号，成为中国新一代运载火箭3.35米直径构型的一种，名正言顺地从换发升级为换代。不只如此，长征七号火箭正式立项后研制使用的一系列新技术，也无愧于换代火箭之名。

　　数字火箭

　　长征七号是中国第一种使用全数字化设计和制造模式的运载火箭，因此又被称为“数字火箭”。它将成为中国未来中型运载火箭的基本构型，并和衍生型号承担起中国未来大部分航天发射任务。

　　数字火箭的数字化体现在什么方面呢？长征七号从设计、制造、试验到管理的全过程都使用数字化管理。数字化设计最为直观，简单地说就是通过数字化建模和仿真建立火箭的三维数字模型，实现用数字模装代替实物模装，进行火箭的装配和接口协调工作。这样的三维数字模拟装配检验，可以节省大量的人力物力，缩短研制周期。

　　举例来说，长征七号火箭助推器研制过程中，就通过数字化预装配发现了环管和框支架的干涉问题，及时反馈到设计部门，而传统研制流程下只有等到实际装配才能发现这样的问题，届时环管返工重新设计，不可避免会拖累到火箭设计试验的进度。

　　数字化制造技术可以在保证质量和降低成本的同时，大大减少设计和生产协调的麻烦，提高火箭总体的研制效率。长征七号火箭的整流罩就使用了数字化制造技术，它是中国研制的第一个没有实物模装的整流罩，整流罩三维设计文件下厂后直接生产，最终整流罩与地面设备完全吻合，没有任何质量问题。

　　数字化仿真对火箭的研制试验同样大有裨益，长征七号火箭助推器曾进行数字化仿真试验，提前发现了火箭伺服机构安装时空间不足的问题，从而有充裕的时间制作工装，简化了伺服机构的安装。要知道，制作工装至少要20天，如果没有数字化仿真提前发现问题，而是安装时再发现问题，研制进度必然大受影响。

　　长征七号火箭的全数字化，也有力推动了中国航天工业的数字化设计制造，为未来多快好省的研制更先进的运载火箭奠定了基础。

　　

　　正在装配中的长征七号火箭。图片来源：中国航天科技集团

　　应运而生

　　根据著名私人航天网站太空发射报告网（spacelaunchreport）的数据，2003年前后中国专家参加国际会议发布的论文中，提到了长征五号-340的编号，这是一种起飞重量522吨、近地轨道运载能力10吨的中型运载火箭，它正是今天长征七号的前身。

　　中国工程院院士、火箭与航天技术专家龙乐豪院士不久后公开发表的《新一代运载火箭》一文中， 同样提到了3.35米直径中型火箭的系列方案，其中A方案起飞重量540吨、近地轨道运载能力10吨，显然这是同一种构型，不过火箭已经略微增重了。

　　长征七号下一次浮出水面，已经是2009年载人航天工程网的报道了，此时长征二号F/H火箭已经增重到起飞重量579吨，近地轨道运载能力13吨，并明确提到将用于发射未来的货运飞船，也就是我们现在所说的天舟飞船。

　　2011年后长征七号火箭正式立项，年底公布的《2011年中国的航天》白皮书明确提到，长征七号火箭将具备近地轨道13.5吨、700千米太阳同步轨道5.5吨的运载能力，从此运力性能指标就此定格。

　　有趣的是，虽然长征七号的13.5吨运力在官方报道中再没有发生变化，但载人航天工程总师周建平介绍空间站的文章中却有意外发现。他在文中提到，中国货运飞船上行货物运输能力6500 千克，下行销毁废弃物能力 6000 千克，货运载荷比达 46%。如果按上行运力6.5吨计算，天舟飞船最大重量就成了14.13吨，那么长征七号火箭的运力也该略大或是至少与其相当才对。巧合的是，根据近期报道，长征七号火箭的起飞重量已经提高到597吨，这似乎也暗示了长征七号火箭运力有了进一步的提高。

　　对比天舟飞船的报道，我们可以推测长征七号火箭从最初的长征五号-340构型增重并增加运力，主要的因素就是发射越来越重的天舟货运飞船，毕竟长征七号是载人航天工程的一部分，最主要的任务目前就是发射天舟货运飞船。

　　

　　长征七号火箭已经竖立在发射塔架，即将迎来首次发射。这也是海南文昌航天发射中心的首次发射任务。图片来源：中新社

　　或许正是因为满足需求优先的设计思路，长征七号火箭尽管使用了一系列先进技术，包括高比冲的高压补燃液氧煤油发动机，但它在业余爱好者津津乐道的运载系数上相当平庸。早期长征五号-340构型运载系数仅有1.91%，仅比发射天宫一号的长征二号F/T1的1.74%略高，而随后的改进中运载系数不断提高，但长征二号F/H火箭也不过是2.24%。最新报道中的长征七号火箭，如果按运力13.5吨/起飞重量597吨的算法约为2.26%，即使按照猜测的14.13吨的近地轨道运载能力，运载系数也不到2.37%而已。

　　如果说对比老式的长征二号火箭，长征七号火箭的运输系数有了不小的飞跃，但要对比国际先进水平，差距就显而易见了。俄罗斯的天顶2M和联盟火箭都是典型的二级/二级半液氧煤油火箭，天顶2M的运载系数达到了2.62%，即使是发射进步飞船的联盟2-FG火箭，运载系数也有2.26%。如果对比美国激进设计的猎鹰九号火箭，那么面对高达4.15%的运载系数就更要汗颜了。换句话说，由于总体设计的原因，长征七号火箭运载系数比天顶火箭弱得多，也没有和最原始的燃气发生器循环的联盟火箭拉开差距，YF-100高压补燃液氧煤油发动机很有些未尽其用的味道。

　　长征七号火箭并不出色的运载系数，让很多人感到难以接受。不过辩证来看，长征七号火箭的目标是发射货运飞船，同时在研制中突破掌握和应用一系列新技术，提高中国航天工业的技术水平。正如我们买车会问这种车是不是物美价廉，价格便宜的同时也有足够的可靠性，而不会斤斤计较发动机耗油率，更没人比较同样车重能带货物的多少，商业航天公司选择运载火箭，同样优先考虑价格和可靠性，而不会计较运载系数的高下。如果不去钻火箭运载系数的牛角尖，那么长征七号火箭应用了从高压补燃液氧煤油发动机、一体化电气系统到三垂发射模式和新的测控系统等一系列新技术，不论是纵向对比过去老式长征火箭的水平，还是体现出来的中国航天研制生产能力的进步，都具有很大的积极意义。

　　不管黑猫白猫，能抓到耗子的就是好猫，同样对于长征七号火箭来说，它不断修改适应载人航天工程发射货运飞船的要求，能完成这个任务就不辱使命。新技术的应用或是性能指标的提高只是锦上添花，我们本来也不应对此过于奢求。（编辑：Steed）

　　长征七号火箭，将于6月25日至29日，在海南文昌择机发射。这将是长征七号火箭的首次发射。图片来源：CAN PHOTO

　　6月25日，长征七号火箭将在海南文昌迎来首次发射，它将主要用于发射天舟货运飞船，给中国未来的空间站运送货物。

　　其实早在2009年，中国载人航天工程网就提到过一款火箭，用于满足发射货运飞船的需求。当时火箭的编号为长征二号F/H。这里的H指的是“换发”，也就是把长征二号F火箭的老式YF-20火箭发动机，更换为新一代高压YF-100补燃液氧煤油发动机。

　　中国上一代的长征二号、长征三号和长征四号火箭都使用YF-20系列发动机作为起飞级动力。YF-20使用四氧化二氮/偏二甲肼作为推进剂，这种推进剂可以在常温下存储。老一代长征火箭使用这种推进剂，实际上是直接继承东风五号洲际导弹技术的结果。毕竟，常温可存储的推进剂有助于提高反应速度，必要时还可以加注后长期战备值班。

　　不过话说回来，运载火箭并不在乎反应速度，发射推迟几天甚至十几天都是家常便饭，这时四氧化二氮/偏二甲肼推进剂过于昂贵的价格，以及强腐蚀和剧毒污染的危险，就越发难以容忍了。而新型的YF-100发动机选用的推进剂则是液氧和煤油。

　　为什么选用液氧煤油作为推进剂？首先，液氧煤油本身无毒无污染，燃烧产物也无污染，降低了对环境和加注人员健康的影响。其次，煤油是一种常温推进剂，存储运输和加注都相当方便。

　　此外，煤油价格便宜，航天用煤油也就是每吨1万元，作为氧化剂的液氧每吨只要不到2000元，而偏二甲肼每吨要8.2万，甚至四氧化二氮每吨都要1.8万元，使用液氧煤油组合可以显著降低推进剂成本。

　　最后，液氧煤油组合的密度高比冲也较高，比冲可以等价于我们熟悉的耗油率，这意味着同等推力下一样多的推进剂火箭发动机可以工作更久，可以把火箭加速到更高的速度。高比冲的液氢液氧推进剂密度太低，高密度的四氧化二氮/偏二甲肼剧毒有污染而且比冲略低，液氧甲烷组合比冲略高但密度却要低得多。综合而言，液氧煤油是很理想的火箭推进剂组合。

　　高压补燃

　　仅仅从四氧化二氮/偏二甲肼换成液氧煤油推进剂，YF-100发动机就可以称的上是脱胎换骨了。不只如此，YF-100发动机还是一种高压补燃发动机。

　　老式的YF-20是一种开式燃气发生器循环的发动机。所谓开式循环，指的是推进剂在燃气发生器中燃烧，产生的燃气驱动涡轮后，直接排放到空气中。这会导致浪费部分推进剂。

　　YF-100发动机采用的补燃循环又称分级燃烧循环，先把一部分推进剂在燃气发生器中进行富氧燃烧，产生温度较低的大流量高能燃气驱动涡轮，随后燃气还将排入主燃烧室进行完全燃烧。

　　长征七号火箭的芯一级装备了两台YF-100发动机，4台助推器也各装备了一台YF-100发动机。图片来源：作者供图

　　从推进剂使用效率来说，补燃循环的比冲要比开式循环更高。此外，补燃循环还更容易提高燃烧室压力，提高燃烧效率，进一步提高发动机比冲。根据中国工程院院士、液体火箭发动机专家张贵田院士的介绍，闭式循环比冲可以提高6%以上，对于典型的二级半火箭（即捆绑了助推器的二级火箭），起飞质量相同的话，运载能力可以提高30%，而运力相同的话，火箭起飞质量可以降低20%。

　　美国太空探索技术公司（SpaceX）的梅林1D发动机是开式循环液氧煤油发动机的巅峰之作，公开报道称梅林1D发动机的地面比冲仅有286秒，真空比冲也只有312秒，而YF-100发动机地面比冲为300秒，真空比冲更是达到了335秒之多，发动机比冲上的优势十分明显。

　　总而言之，YF-100高压补燃液氧煤油发动机使用了新的无毒无污染的廉价推进剂组合，使用了先进和高性能的高压补燃循环方案，发动机性能相当强悍。换用YF-100之后，新款火箭无论是运载能力还是运载系数都有了不小的提高，与长征二号F火箭已经大相径庭。

　　最终，这款火箭得到了长征七号的编号，成为中国新一代运载火箭3.35米直径构型的一种，名正言顺地从换发升级为换代。不只如此，长征七号火箭正式立项后研制使用的一系列新技术，也无愧于换代火箭之名。

　　数字火箭

　　长征七号是中国第一种使用全数字化设计和制造模式的运载火箭，因此又被称为“数字火箭”。它将成为中国未来中型运载火箭的基本构型，并和衍生型号承担起中国未来大部分航天发射任务。

　　数字火箭的数字化体现在什么方面呢？长征七号从设计、制造、试验到管理的全过程都使用数字化管理。数字化设计最为直观，简单地说就是通过数字化建模和仿真建立火箭的三维数字模型，实现用数字模装代替实物模装，进行火箭的装配和接口协调工作。这样的三维数字模拟装配检验，可以节省大量的人力物力，缩短研制周期。

　　举例来说，长征七号火箭助推器研制过程中，就通过数字化预装配发现了环管和框支架的干涉问题，及时反馈到设计部门，而传统研制流程下只有等到实际装配才能发现这样的问题，届时环管返工重新设计，不可避免会拖累到火箭设计试验的进度。

　　数字化制造技术可以在保证质量和降低成本的同时，大大减少设计和生产协调的麻烦，提高火箭总体的研制效率。长征七号火箭的整流罩就使用了数字化制造技术，它是中国研制的第一个没有实物模装的整流罩，整流罩三维设计文件下厂后直接生产，最终整流罩与地面设备完全吻合，没有任何质量问题。

　　数字化仿真对火箭的研制试验同样大有裨益，长征七号火箭助推器曾进行数字化仿真试验，提前发现了火箭伺服机构安装时空间不足的问题，从而有充裕的时间制作工装，简化了伺服机构的安装。要知道，制作工装至少要20天，如果没有数字化仿真提前发现问题，而是安装时再发现问题，研制进度必然大受影响。

　　长征七号火箭的全数字化，也有力推动了中国航天工业的数字化设计制造，为未来多快好省的研制更先进的运载火箭奠定了基础。

　　正在装配中的长征七号火箭。图片来源：中国航天科技集团

　　应运而生

　　根据著名私人航天网站太空发射报告网（spacelaunchreport）的数据，2003年前后中国专家参加国际会议发布的论文中，提到了长征五号-340的编号，这是一种起飞重量522吨、近地轨道运载能力10吨的中型运载火箭，它正是今天长征七号的前身。

　　中国工程院院士、火箭与航天技术专家龙乐豪院士不久后公开发表的《新一代运载火箭》一文中， 同样提到了3.35米直径中型火箭的系列方案，其中A方案起飞重量540吨、近地轨道运载能力10吨，显然这是同一种构型，不过火箭已经略微增重了。

　　长征七号下一次浮出水面，已经是2009年载人航天工程网的报道了，此时长征二号F/H火箭已经增重到起飞重量579吨，近地轨道运载能力13吨，并明确提到将用于发射未来的货运飞船，也就是我们现在所说的天舟飞船。

　　2011年后长征七号火箭正式立项，年底公布的《2011年中国的航天》白皮书明确提到，长征七号火箭将具备近地轨道13.5吨、700千米太阳同步轨道5.5吨的运载能力，从此运力性能指标就此定格。

　　有趣的是，虽然长征七号的13.5吨运力在官方报道中再没有发生变化，但载人航天工程总师周建平介绍空间站的文章中却有意外发现。他在文中提到，中国货运飞船上行货物运输能力6500 千克，下行销毁废弃物能力 6000 千克，货运载荷比达 46%。如果按上行运力6.5吨计算，天舟飞船最大重量就成了14.13吨，那么长征七号火箭的运力也该略大或是至少与其相当才对。巧合的是，根据近期报道，长征七号火箭的起飞重量已经提高到597吨，这似乎也暗示了长征七号火箭运力有了进一步的提高。

　　对比天舟飞船的报道，我们可以推测长征七号火箭从最初的长征五号-340构型增重并增加运力，主要的因素就是发射越来越重的天舟货运飞船，毕竟长征七号是载人航天工程的一部分，最主要的任务目前就是发射天舟货运飞船。

　　长征七号火箭已经竖立在发射塔架，即将迎来首次发射。这也是海南文昌航天发射中心的首次发射任务。图片来源：中新社

　　或许正是因为满足需求优先的设计思路，长征七号火箭尽管使用了一系列先进技术，包括高比冲的高压补燃液氧煤油发动机，但它在业余爱好者津津乐道的运载系数上相当平庸。早期长征五号-340构型运载系数仅有1.91%，仅比发射天宫一号的长征二号F/T1的1.74%略高，而随后的改进中运载系数不断提高，但长征二号F/H火箭也不过是2.24%。最新报道中的长征七号火箭，如果按运力13.5吨/起飞重量597吨的算法约为2.26%，即使按照猜测的14.13吨的近地轨道运载能力，运载系数也不到2.37%而已。

　　如果说对比老式的长征二号火箭，长征七号火箭的运输系数有了不小的飞跃，但要对比国际先进水平，差距就显而易见了。俄罗斯的天顶2M和联盟火箭都是典型的二级/二级半液氧煤油火箭，天顶2M的运载系数达到了2.62%，即使是发射进步飞船的联盟2-FG火箭，运载系数也有2.26%。如果对比美国激进设计的猎鹰九号火箭，那么面对高达4.15%的运载系数就更要汗颜了。换句话说，由于总体设计的原因，长征七号火箭运载系数比天顶火箭弱得多，也没有和最原始的燃气发生器循环的联盟火箭拉开差距，YF-100高压补燃液氧煤油发动机很有些未尽其用的味道。

　　长征七号火箭并不出色的运载系数，让很多人感到难以接受。不过辩证来看，长征七号火箭的目标是发射货运飞船，同时在研制中突破掌握和应用一系列新技术，提高中国航天工业的技术水平。正如我们买车会问这种车是不是物美价廉，价格便宜的同时也有足够的可靠性，而不会斤斤计较发动机耗油率，更没人比较同样车重能带货物的多少，商业航天公司选择运载火箭，同样优先考虑价格和可靠性，而不会计较运载系数的高下。如果不去钻火箭运载系数的牛角尖，那么长征七号火箭应用了从高压补燃液氧煤油发动机、一体化电气系统到三垂发射模式和新的测控系统等一系列新技术，不论是纵向对比过去老式长征火箭的水平，还是体现出来的中国航天研制生产能力的进步，都具有很大的积极意义。

　　不管黑猫白猫，能抓到耗子的就是好猫，同样对于长征七号火箭来说，它不断修改适应载人航天工程发射货运飞船的要求，能完成这个任务就不辱使命。新技术的应用或是性能指标的提高只是锦上添花，我们本来也不应对此过于奢求。（编辑：Steed）