王小軍 范瑞祥 程堂明 胡曉軍 徐利杰 尚瑋 錢航 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院）

?

開啟中國載人航天新篇章
—中國新一代中型運(yùn)載火箭首飛在即

王小軍 范瑞祥 程堂明 胡曉軍 徐利杰 尚瑋 錢航 （中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院）

運(yùn)載火箭是航天工業(yè)最基礎(chǔ)的核心之一，運(yùn)載火箭的能力有多大，航天的舞臺(tái)就有多大。更強(qiáng)的進(jìn)入空間能力是探索和利用空間的前提與基礎(chǔ)。

（高劍/攝）

1 新一代運(yùn)載火箭的研制背景

研制新一代運(yùn)載火箭的目的

經(jīng)過50余年的發(fā)展，中國“長征”系列運(yùn)載火箭走過了從常溫推進(jìn)到低溫推進(jìn)、從串聯(lián)到捆綁、從“一箭一星”到“一箭多星”、從發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射載人飛船、空間探測(cè)器的技術(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)到國際先進(jìn)水平。

然而，隨著國外采用無毒、無污染（液氫/液氧或液氧/煤油）推進(jìn)劑的新一代運(yùn)載火箭的投入使用，我國“長征”系列運(yùn)載火箭面臨運(yùn)載能力不能滿足更長遠(yuǎn)發(fā)展的需求、有毒推進(jìn)劑會(huì)帶來污染環(huán)境和危害從業(yè)人員的缺憾，內(nèi)陸發(fā)射場落區(qū)選擇越來越困難等固有的不足。

針對(duì)我國未來航天快速發(fā)展的需求，需要研制新一代運(yùn)載火箭，以滿足載人航天、月球探測(cè)等重大專項(xiàng)工程的需要。

長征-7誕生歷史

我國新一代運(yùn)載火箭的論證起步于“863”計(jì)劃，1992年9月21日，國家審議通過了實(shí)施載人航天工程，提出了20噸級(jí)空間站的需求，推動(dòng)了新一代運(yùn)載火箭的論證和研制。

2000年，國務(wù)院新聞辦公室發(fā)表《2000年中國的航天》白皮書，書中明確指出：近期的發(fā)展目標(biāo)是開發(fā)新一代無毒、無污染、高性能和低成本的運(yùn)載火箭，建成新一代運(yùn)載火箭系列化型譜，增加參與國際商業(yè)發(fā)射服務(wù)的能力。

在空間站運(yùn)行階段，為保證貨運(yùn)要求、減少年發(fā)射次數(shù)，要求運(yùn)載火箭低軌道運(yùn)載能力達(dá)到13噸級(jí)，一次發(fā)射上行貨物達(dá)到5t以上。長征-7運(yùn)載火箭就是以發(fā)射貨運(yùn)飛船為目的而研制的新一代中型運(yùn)載火箭，通過貨運(yùn)飛船、主戰(zhàn)場衛(wèi)星的發(fā)射積累可靠性子樣，在2020年后發(fā)射載人飛船。

長征-7運(yùn)載火箭發(fā)射貨運(yùn)飛船任務(wù)是載人航天工程第二步空間實(shí)驗(yàn)室工程第二階段的關(guān)鍵驗(yàn)證項(xiàng)目，也是空間站工程順利實(shí)施的重要保障。

另外，按照我國運(yùn)載火箭的型譜規(guī)劃，長征-7運(yùn)載火箭是我國新一代中型運(yùn)載火箭的基本型，以長征-7運(yùn)載火箭為基礎(chǔ)，可以研制地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）運(yùn)載能力達(dá)到7.0t和太陽同步軌道（SSO）運(yùn)載能力達(dá)到4.5t的中型運(yùn)載火箭，可承擔(dān)國內(nèi)外主流衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

長征-7運(yùn)載火箭合練

2 長征-7運(yùn)載火箭首飛在即

長征-7火箭的最早原型是長征-2H，其綜合了長征-2的成熟技術(shù)，同時(shí)又運(yùn)用長征-5的新技術(shù)，定型為帶助推的兩級(jí)火箭，發(fā)動(dòng)機(jī)改為新研制的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。近地軌道運(yùn)載能力13.5t，除發(fā)射載人航天工程的貨運(yùn)飛船，也可用于發(fā)射人造衛(wèi)星等其他載荷。中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院為長征-7火箭的總體研制單位。

長征-7型號(hào)隊(duì)伍在天津港啟航前合影

如何運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場

（1）文昌發(fā)射場介紹

文昌航天發(fā)射中心是繼酒泉、太原、西昌之后，我國的第四個(gè)衛(wèi)星發(fā)射中心，也是我國首個(gè)低緯度濱海發(fā)射基地。打開手機(jī)上的地理坐標(biāo)軟件，清晰地顯示航天中心的位置：19°19′（N），109°48′（E）。與全世界最著名的幾大航天發(fā)射中心相比，其緯度僅比法國設(shè)在南美洲圭亞那庫魯?shù)陌l(fā)射場高。

其實(shí)，早在20世紀(jì)70年代，中國在進(jìn)行航天發(fā)射場選址時(shí)，就曾對(duì)在海南島建設(shè)航天發(fā)射場進(jìn)行評(píng)估，海南一度被列為當(dāng)時(shí)最佳選址之一。但因?yàn)楫?dāng)時(shí)國際形勢(shì)較為復(fù)雜，所以不得不將航天發(fā)射場設(shè)置在地處“三線”的大西北。

（2）文昌發(fā)射場的優(yōu)勢(shì)

相比國內(nèi)其他3個(gè)衛(wèi)星發(fā)射中心，文昌具有三大優(yōu)勢(shì)。

第一，地處低緯、節(jié)約能耗。海南島是中國陸地緯度最低、距離赤道最近的地區(qū)。火箭發(fā)射場距離赤道越近、緯度越低，發(fā)射衛(wèi)星時(shí)就可以盡可能利用慣性產(chǎn)生的離心現(xiàn)象，因此所需要的能耗較低，使用同樣燃料可以達(dá)到的速度也更快。據(jù)稱，在海南發(fā)射地球同步軌道衛(wèi)星比在西昌發(fā)射火箭的運(yùn)載能力可提高10%～15%，衛(wèi)星壽命可延長2年以上。

第二，火箭發(fā)射更安全。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?。而文昌衛(wèi)星發(fā)射中心距離海邊近，火箭發(fā)射后其第一級(jí)火箭墜落于南海，既可以避免對(duì)居民人身安全的傷害，又可以避免地面的危害。而且，距離海邊近將會(huì)大大提升殘骸墜落的安全性。

第三，火箭運(yùn)輸更便利。大型火箭不便于公路和鐵路運(yùn)輸，而文昌卻可以大大縮小這些劣勢(shì)，文昌衛(wèi)星發(fā)射中心位于海南東北部，有著風(fēng)景優(yōu)美的海岸線和優(yōu)良港口，其所使用的火箭是通過海運(yùn)從天津轉(zhuǎn)運(yùn)海南文昌清瀾港。

根據(jù)官方宣布的中國航天發(fā)展計(jì)劃，文昌發(fā)射場將主要承擔(dān)地球同步軌道（GSO）衛(wèi)星、大噸位空間站、貨運(yùn)飛船、探月工程三期、大質(zhì)量極軌衛(wèi)星等發(fā)射任務(wù)，另外還有對(duì)外發(fā)射服務(wù)。

（3）長征-7海運(yùn)過程

長征-7首飛是我國運(yùn)載火箭第一次在低緯度新發(fā)射場發(fā)射。相比以前經(jīng)鐵路和公路運(yùn)輸?shù)桨l(fā)射場，長征-7主要是“乘船”經(jīng)海路去海南的?！伴L征”系列火箭第一次由海路運(yùn)往發(fā)射場，也是第一次打破鐵路運(yùn)輸?shù)南拗茖?shí)現(xiàn)整體運(yùn)輸。由此，翻開低緯發(fā)射的新篇章。

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，然后通過公路運(yùn)輸將集裝箱運(yùn)至發(fā)射場。一枚長征-7火箭采用一艘火箭運(yùn)輸船運(yùn)輸。

2016年5月8日，長征-7火箭搭乘遠(yuǎn)望-21航天運(yùn)輸船由天津港啟程，經(jīng)過約3333km，于5月14日下午運(yùn)抵海南文昌清瀾港。15日上午開始，在海南文昌航天發(fā)射場的精心組織下，裝載火箭部件的集裝箱分批卸載，并通過公路運(yùn)輸至航天發(fā)射場火箭水平轉(zhuǎn)載準(zhǔn)備廠房。

由于箱體超長、體積較大，路況復(fù)雜，在運(yùn)輸過程中嚴(yán)格按照技術(shù)指標(biāo)和運(yùn)輸速度的要求進(jìn)行控制。所有車輛逐臺(tái)通過清瀾大橋，整個(gè)運(yùn)輸過程非常順利，安全、準(zhǔn)確、準(zhǔn)時(shí)。

針對(duì)首飛任務(wù)特點(diǎn)，海南文昌航天發(fā)射場建立首飛任務(wù)系統(tǒng)間協(xié)作機(jī)制，統(tǒng)籌推動(dòng)各系統(tǒng)任務(wù)準(zhǔn)備。根據(jù)任務(wù)大綱和火箭對(duì)發(fā)射場技術(shù)要求，從提高參試設(shè)施設(shè)備安全性、可靠性入手，深入開展各項(xiàng)技術(shù)準(zhǔn)備和崗位訓(xùn)練，全面進(jìn)行了設(shè)備檢修檢測(cè)和各崗位人員考核。目前，發(fā)射場設(shè)施設(shè)備狀態(tài)良好，各項(xiàng)準(zhǔn)備工作正按計(jì)劃有序進(jìn)行，全力準(zhǔn)備長征-7于6月底的首飛。

如何適應(yīng)新發(fā)射場

在長征-7火箭的設(shè)計(jì)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(diǎn)。

1）火箭做“防水”?，F(xiàn)役“長征”火箭發(fā)射，選擇窗口時(shí)都會(huì)專門避開雷雨天，而長征-7新一代運(yùn)載火箭則能在雨中發(fā)射，因?yàn)樵O(shè)計(jì)時(shí)已考慮了海南發(fā)射場氣候潮濕、全年降水量大且濕度高的因素。另外，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。

長征-7對(duì)“水”的防護(hù)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。

2）能抗8級(jí)大風(fēng)。相比于內(nèi)陸戈壁上9m/s左右的風(fēng)速，文昌發(fā)射場的風(fēng)速經(jīng)常達(dá)到20m/s。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。

3）體重大多是燃料。雖然長征-7火箭起飛質(zhì)量接近600t，但里面鋼筋鐵骨的結(jié)構(gòu)和設(shè)備占總質(zhì)量比例很小，大部分都是燃料。作為衛(wèi)星等航天器前往太空的“專車”，自身質(zhì)量越低，燃料越充足，能夠運(yùn)送的“乘客”也就越多。

4）動(dòng)力系統(tǒng)強(qiáng)大。長征-7的動(dòng)力系統(tǒng)變化很大，采用無毒、無污染的液氧/煤油作為燃料。液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)被譽(yù)為世界航天動(dòng)力領(lǐng)域的珠穆朗瑪峰。其采用最先進(jìn)的高壓補(bǔ)燃循環(huán)系統(tǒng)，推力比現(xiàn)有“長征”系列運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)提高60%以上，運(yùn)載能力是原來的3倍左右。液氧和煤油都是環(huán)保燃料，沒有污染。經(jīng)濟(jì)上，比常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑便宜60%；更重要的是其可重復(fù)使用。

5）推進(jìn)劑可安全停放24h。與以往“長征”火箭發(fā)射前幾個(gè)小時(shí)開始加注不同，長征-7經(jīng)過專門設(shè)計(jì)和演練，它的液氧和煤油推進(jìn)劑組合雖然屬于低溫燃料，但是可以安全停放24h，這樣便可以靈活應(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)射爭取更多有利時(shí)間，提高可靠性。

6）發(fā)射平臺(tái)噴水降溫。長征-7火箭發(fā)射點(diǎn)火的剎那，溫度會(huì)高達(dá)2800℃，和過去主要起支撐作用的鋼制發(fā)射平臺(tái)不同，海南文昌發(fā)射場使用的新一代發(fā)射平臺(tái)里面裝載著儀器設(shè)備，而且也需要多次使用，所以專門采用噴水降溫和涂特種防護(hù)涂層等方式，使它不怕被高溫摧毀。

發(fā)射平臺(tái)噴水降溫

組裝中的長征-7

技術(shù)創(chuàng)新

1）近地軌道運(yùn)載能力實(shí)現(xiàn)新的跨越。將我國中型運(yùn)載火箭低地球軌道（LEO）的運(yùn)載能力由8.6t提高至13.5t，達(dá)到國外同類火箭先進(jìn)水平。

2）綠色無毒、無污染，順應(yīng)國際潮流。全箭采用我國具有自主知識(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，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。

3）高可靠、高安全設(shè)計(jì)。長征-7火箭秉承載人航天標(biāo)準(zhǔn)，按照“一度故障工作，二度故障安全”的設(shè)計(jì)原則，將高可靠融入設(shè)計(jì)中，控制系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)均實(shí)現(xiàn)了系統(tǒng)和元件級(jí)冗余；秉承簡單即可靠的理念，做了多項(xiàng)改進(jìn)設(shè)計(jì)；發(fā)射可靠性達(dá)到0.98，達(dá)到國際先進(jìn)水平。

4）全三維數(shù)字化設(shè)計(jì)。采用三維無圖紙?jiān)O(shè)計(jì)、制造技術(shù)，打通了從設(shè)計(jì)到制造的全三維流程；廣泛應(yīng)用數(shù)字化手段，基于統(tǒng)一的三維模型實(shí)現(xiàn)了設(shè)計(jì)、分析、仿真、生產(chǎn)與總裝的數(shù)字化研制新模式，建立了標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范，為其他型號(hào)的推廣應(yīng)用樹立了典范?；跀?shù)字模裝及數(shù)字化仿真，在設(shè)計(jì)階段提前發(fā)現(xiàn)大量不協(xié)調(diào)問題并得到及時(shí)解決，減小了產(chǎn)品報(bào)廢率，縮短了研制流程。

3 結(jié)束語

長征-7運(yùn)載火箭是新一代高可靠、無毒、無污染的中型運(yùn)載火箭，是我國新一代中型運(yùn)載火箭系列型譜的基本構(gòu)型。目前，長征-7運(yùn)載火箭已經(jīng)運(yùn)抵海南發(fā)射場，經(jīng)過火箭垂直總裝和測(cè)試，火箭狀態(tài)正常后將進(jìn)行加注，預(yù)計(jì)在6月底擇機(jī)發(fā)射。長征-7火箭首飛是載人航天第二步—空間實(shí)驗(yàn)室工程的發(fā)令槍，首飛成功將全面拉開空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的序幕。同時(shí)，長征-7火箭的研制成功，對(duì)于構(gòu)建我國未來空間運(yùn)輸體系、加快我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代，都將具有重要的意義。