火亮

2016年6月25日，我國首枚新—代中型運(yùn)載火箭“長征”7號(hào)在新建的海南文昌發(fā)射場(chǎng)順利升空.把“遠(yuǎn)征”1A上面級(jí)、多用途縮比返回艙等載荷組合體送入近地點(diǎn)200千米、遠(yuǎn)地點(diǎn)394千米的橢圓軌道，這標(biāo)志著“長征”7號(hào)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(shí)驗(yàn)室任務(wù)的序幕。物美價(jià)廉新火箭

“長征”7號(hào)是為滿足我國載人航天工程，發(fā)射貨運(yùn)飛船而研制的新一代高可靠、高安全的中型運(yùn)載火箭。2011年3月立項(xiàng)啟動(dòng)，由中國航天科技集團(tuán)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(hào)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(dòng)機(jī)由原來常溫的偏二甲肼/四氧化二氮發(fā)動(dòng)機(jī)改為新研制低溫的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。后者被譽(yù)為世界航天動(dòng)力領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰，技術(shù)十分復(fù)雜。因?yàn)橐貉醯臏囟葹?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(duì)火箭進(jìn)行嚴(yán)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(jìn)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(jìn)劑貯箱外表面溫度過低導(dǎo)致的結(jié)冰，以及極低溫度對(duì)儀器、電纜等的影響。

之所以用低溫的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)替換以前的偏二甲肼/四氧化二氮發(fā)動(dòng)機(jī)，是因?yàn)橛靡貉趺河桶l(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)多多。首先，其可以顯著提高火箭的運(yùn)載能力，“長征”7上的120噸級(jí)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)采用了世界上最先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，其比沖比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)提高了20%，推力比現(xiàn)有“長征”系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提高了60%以上，把我國火箭的近地軌道運(yùn)載能力由8.5噸一下提高到13.5噸。

液氧/煤油推進(jìn)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(huì)對(duì)環(huán)境造成任何污染。全箭采用了我國具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)、交付前可進(jìn)行工藝試車的兩種液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，無毒、無污染，它的研制成功并實(shí)現(xiàn)太空飛行，實(shí)現(xiàn)了我國火箭動(dòng)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(gè)十分重要的原因就是該燃料來源廣泛、價(jià)格低廉。平均價(jià)格比現(xiàn)役火箭的推進(jìn)劑低一個(gè)數(shù)量級(jí)，其中作為燃燒劑的煤油每噸價(jià)格為1萬元，而偏二甲肼每噸價(jià)格為8.2萬元；作為氧化劑的液氧每噸價(jià)格為2000元，而四氧化二氮每噸價(jià)格為1.8萬元，平均成本僅為常規(guī)推進(jìn)劑的1/10強(qiáng)。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(jìn)劑，每次發(fā)射可以節(jié)約推進(jìn)劑費(fèi)用上干萬元。

而且液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)，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(jì)到生產(chǎn)均采用全三維數(shù)字平臺(tái)，標(biāo)志著中國運(yùn)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(jì)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(shí)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(jìn)行車、銑、鏜等系列工序?，F(xiàn)在，從原材料變?yōu)槌善?，只需按?dòng)數(shù)控機(jī)床按鈕即可完成，且合格率達(dá)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(yàn)、裝配階段，“數(shù)字火箭”應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，對(duì)火箭進(jìn)行虛擬裝配、虛擬試驗(yàn)，真實(shí)模擬火箭實(shí)際裝配和試驗(yàn)環(huán)境，提前預(yù)見可能發(fā)生的問題，確保了火箭試驗(yàn)、裝配“一次成”?！伴L征”7號(hào)火箭的首飛成功，代表了我國60年運(yùn)載火箭研制領(lǐng)域的最高水平，標(biāo)志著我國新一代運(yùn)載火箭在數(shù)字化設(shè)計(jì)能力上已躋身國際先進(jìn)行列。

“長征”7基本型箭體總長53.1米。芯一級(jí)直徑為3.35米，裝有2臺(tái)單臺(tái)推力為120噸的雙擺液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-100；芯一級(jí)還并聯(lián)了4個(gè)直徑均為2.25米的助推器，每個(gè)裝有1臺(tái)單臺(tái)推力為120噸的單擺液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-100。芯二級(jí)直徑為3.35米，裝有4臺(tái)單臺(tái)推力為18噸的雙擺液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)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(xiàng)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(zhǔn)設(shè)計(jì)的火箭，控制系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冗余，設(shè)計(jì)可靠性得到大幅高。在每個(gè)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(yùn)載火箭第一次在新建的低緯度發(fā)射場(chǎng)——海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，所以在“長征”7火箭的設(shè)計(jì)中，如何適應(yīng)全新發(fā)射場(chǎng)的環(huán)境一直是研制人員關(guān)注的重點(diǎn)。

因?yàn)楹Ｄ习l(fā)射場(chǎng)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(huì)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(jì)，并滲透到了每個(gè)設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)當(dāng)中。在常規(guī)型號(hào)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(shí)不用做單獨(dú)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(shí)也能發(fā)射。

火箭能抗8級(jí)大風(fēng)。在內(nèi)陸戈壁的發(fā)射場(chǎng)，風(fēng)速一般為9米/秒左右，而文昌發(fā)射場(chǎng)的風(fēng)速經(jīng)常達(dá)到20米/秒。為了保證火箭時(shí)刻都站得住站得穩(wěn)，設(shè)計(jì)人員專門為它設(shè)計(jì)了防風(fēng)減載裝置，可以在8級(jí)大風(fēng)的情況下進(jìn)行垂直轉(zhuǎn)運(yùn)，抗風(fēng)能力為目前長征家族之最。我國臺(tái)風(fēng)預(yù)測(cè)能力僅能提前1周，以往火箭所有的管路連接以及測(cè)試驗(yàn)證都是在發(fā)射陣地進(jìn)行，大概需要20天左右的時(shí)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(shí)間工作。為此，設(shè)計(jì)人員專門設(shè)計(jì)了臍帶塔，使火箭在技術(shù)陣地完成相關(guān)技術(shù)的驗(yàn)證和試驗(yàn)后，在轉(zhuǎn)場(chǎng)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(jìn)行加注發(fā)射，縮短了在火箭發(fā)射陣地的測(cè)試時(shí)間。

以往“長征”火箭推進(jìn)劑停放時(shí)間很短，而“長征”7號(hào)推進(jìn)劑可安全停放24小時(shí)。火箭推進(jìn)劑安全停放時(shí)間長，就能靈活應(yīng)對(duì)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(zhēng)取更多有利時(shí)間，提高可靠性。

火箭在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行的垂直總裝、垂直測(cè)試、垂直轉(zhuǎn)場(chǎng)，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(jìn)行兩次，而“長征”7采用“新三垂模式”，僅一次對(duì)接就可以完成工作，狀態(tài)的一致性更好，且前端地面測(cè)發(fā)控設(shè)備在技術(shù)區(qū)進(jìn)行了充分測(cè)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(shí)也縮短了發(fā)射工作時(shí)間，降低了火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)后遇到惡劣天氣再返回技術(shù)區(qū)的情況發(fā)生。

因?yàn)椤伴L征”7火箭是采用海運(yùn)方式從天津運(yùn)到文昌航天發(fā)射場(chǎng)的，過載環(huán)境主要表現(xiàn)為低頻晃動(dòng)。過載環(huán)境差會(huì)危害火箭的結(jié)構(gòu)。為此，我國專家設(shè)計(jì)出了一整套運(yùn)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(yùn)過程中，在火箭的芯一級(jí)、芯二級(jí)、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(gè)測(cè)點(diǎn)。結(jié)果表明，其過載環(huán)境數(shù)據(jù)不僅優(yōu)于設(shè)計(jì)值，而且僅為鐵路運(yùn)輸過載環(huán)境數(shù)據(jù)的1/3、公路運(yùn)輸?shù)?/2。過載數(shù)據(jù)值越低，火箭的運(yùn)輸環(huán)境就越平穩(wěn)，對(duì)火箭結(jié)構(gòu)的影響就越小，這有利于火箭安全抵達(dá)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(yùn)，就好似坐‘沙發(fā)。”

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(chǎng)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(yùn)載火箭。未來將主要承擔(dān)貨運(yùn)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(cè)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(gè)老航天發(fā)射場(chǎng)相比，低緯度濱海發(fā)射基地——海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)，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(yùn)便捷等優(yōu)勢(shì)。

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(jí)火箭墜落于南海，即可以避免對(duì)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(shí)遷移大批居民，以防止第一級(jí)火箭墜落時(shí)對(duì)當(dāng)?shù)鼐用竦膫Α?/p>

海南文昌航天發(fā)射場(chǎng)位于北緯19°，因而具備了低緯度的優(yōu)勢(shì)?；鸺l(fā)射場(chǎng)距離赤道越近、緯度越低，發(fā)射航天器時(shí)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(dá)到的速度也更快，從而能提高地球同步軌道衛(wèi)星的運(yùn)載能力。西昌、太原、酒泉發(fā)射場(chǎng)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(yùn)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(fèi)比高。

發(fā)射基地選在海南，火箭可以通過海路運(yùn)輸，火箭的大小就不受鐵路運(yùn)輸?shù)南拗啤Ｎ覈伴L征”2、3、4等系列火箭由于受到鐵路運(yùn)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(shí)候，我國還將在文昌航天發(fā)射場(chǎng)首次發(fā)射“長征”5新一代大型運(yùn)載火箭，其芯級(jí)的直徑為5米，用公路、鐵路運(yùn)輸都難以滿足要求，只能采用海運(yùn)。

責(zé)任編輯：武瑾媛