新火箭，新长征

火亮

2016年6月25日，我国首枚新—代中型运载火箭“长征”7号在新建的海南文昌发射场顺利升空.把“远征”1A上面级、多用途缩比返回舱等载荷组合体送入近地点200千米、远地点394千米的椭圆轨道，这标志着“长征”7号首飞任务取得圆满成功，从而全面拉开我国载人航天工程空间实验室任务的序幕。物美价廉新火箭

“长征”7号是为满足我国载人航天工程，发射货运飞船而研制的新一代高可靠、高安全的中型运载火箭。2011年3月立项启动，由中国航天科技集团公司一院抓总研制。该火箭的最早原型是“长征”2F换发型（H型）。

“长征”7号综合了“长征”2F的成熟技术和“长征”5的新技术，最大的变化是其火箭发动机由原来常温的偏二甲肼/四氧化二氮发动机改为新研制低温的液氧/煤油发动机。后者被誉为世界航天动力领域的珠穆朗玛峰，技术十分复杂。因为液氧的温度为-183℃。试想海南的温度，所以为了火箭保持低温，防水隔热要面面俱到。必须通过绝热方式对火箭进行严格控制，工程师们给“冰箭”穿上“绝热服”，保证火箭不被热量“入侵”。低温贮箱外表的一层1～2厘米厚的密度极低的隔热结构也像给火箭披上了一件“衣服”。有了这件“衣服”，尽管推进剂温度如此之低，但是火箭外表面温度依然可以保持在0℃以上，可防止推进剂贮箱外表面温度过低导致的结冰，以及极低温度对仪器、电缆等的影响。

之所以用低温的液氧/煤油发动机替换以前的偏二甲肼/四氧化二氮发动机，是因为用液氧煤油发动机优点多多。首先，其可以显著提高火箭的运载能力，“长征”7上的120吨级液氧/煤油发动机采用了世界上最先进的高压补燃循环系统，其比冲比常规发动机提高了20%，推力比现有“长征”系列运载火箭发动机提高了60%以上，把我国火箭的近地轨道运载能力由8.5吨一下提高到13.5吨。

液氧/煤油推进剂还是绿色环保的，液氧和煤油燃料燃烧后产生的二氧化碳和水，不会对环境造成任何污染。全箭采用了我国具有自主知识产权、交付前可进行工艺试车的两种液氧/煤油发动机，无毒、无污染，它的研制成功并实现太空飞行，实现了我国火箭动力从常规有毒至绿色无毒的巨大跨越，秉承了中国航天绿色环保的发展理念，顺应国际潮流。

还有一个十分重要的原因就是该燃料来源广泛、价格低廉。平均价格比现役火箭的推进剂低一个数量级，其中作为燃烧剂的煤油每吨价格为1万元，而偏二甲肼每吨价格为8.2万元；作为氧化剂的液氧每吨价格为2000元，而四氧化二氮每吨价格为1.8万元，平均成本仅为常规推进剂的1/10强。发射“神舟”飞船的“长征”2F火箭如果采用液氧/煤油作为推进剂，每次发射可以节约推进剂费用上干万元。

而且液氧/煤油发动机可以重复使用，一旦我们掌握了火箭回收技术，就有望重复使用液氧/煤油发动机，从而大大降低火箭的发射成本。

“数字火箭”新法宝

“长征”7是我国首枚采用全数字化手段研制的“数字火箭”。它从设计到生产均采用全三维数字平台，标志着中国运载火箭迈入了全生命周期数字化的大门。

该火箭在全研制流程没有一张纸质图纸，火箭设计从纸质“连环画”变成了“3D电影”。在生产加工阶段火箭实现了“—键式”加工。在原来，工艺员加工某金属零部件，首先要根据二维图纸画出工序草图、手工编制工艺规程，然后进行车、铣、镗等系列工序。现在，从原材料变为成品，只需按动数控机床按钮即可完成，且合格率达100%，可谓是一键定“乾坤”，极大地提升了生产质量和效率。

在试验、装配阶段，“数字火箭”应用了“虚拟现实技术”，对火箭进行虚拟装配、虚拟试验，真实模拟火箭实际装配和试验环境，提前预见可能发生的问题，确保了火箭试验、装配“一次成”。“长征”7号火箭的首飞成功，代表了我国60年运载火箭研制领域的最高水平，标志着我国新一代运载火箭在数字化设计能力上已跻身国际先进行列。

“长征”7基本型箭体总长53.1米。芯一级直径为3.35米，装有2台单台推力为120吨的双摆液氧/煤油发动机YF-100；芯一级还并联了4个直径均为2.25米的助推器，每个装有1台单台推力为120吨的单摆液氧/煤油发动机YF-100。芯二级直径为3.35米，装有4台单台推力为18吨的双摆液氧/煤油发动机YF-115。助推器长约27米，接近现役火箭助推器长度的2倍。火箭复杂的结构，给火箭的“大脑”控制系统也带来了全新的挑战，为了更好的控制火箭的飞行过程，将航天器精确送入轨道，控制系统创新采用了143项智能控制软件，.这是现役火箭软件使用量的30倍以上，大大提高了控制精确度，“长征”7是按照载人航天标准设计的火箭，控制系统和增压系统实现了冗余，设计可靠性得到大幅高。在每个舱段中安装控制系统，改变了以往集中处理的方式，减轻了控制系统压力，也标志着我国火箭控制系统已向全面数字化控制模式发展。

抗雨抗风新功能

由于“长征”7的首飞是我国运载火箭第一次在新建的低纬度发射场——海南文昌航天发射场发射，所以在“长征”7火箭的设计中，如何适应全新发射场的环境一直是研制人员关注的重点。

因为海南发射场气候潮湿，全年降水量大且湿度高，前面我们提到“长征”7的燃料中有液态氧，它的温度是-183℃，因此火箭表面会出现水蒸气凝结的现象。所以“长征”7采用防风防水设计，并渗透到了每个设计细节当中。在常规型号中，用来平衡整流罩内外压力的排气孔，在内陆发射时不用做单独的防水，但是在“长征”7火箭的身上，排气孔也做了专门的防水措施，使“长征”7在中雨时也能发射。

火箭能抗8级大风。在内陆戈壁的发射场，风速一般为9米/秒左右，而文昌发射场的风速经常达到20米/秒。为了保证火箭时刻都站得住站得稳，设计人员专门为它设计了防风减载装置，可以在8级大风的情况下进行垂直转运，抗风能力为目前长征家族之最。我国台风预测能力仅能提前1周，以往火箭所有的管路连接以及测试验证都是在发射阵地进行，大概需要20天左右的时间。如今天气的不确定性，使火箭不能在发射阵地如此长时间工作。为此，设计人员专门设计了脐带塔，使火箭在技术阵地完成相关技术的验证和试验后，在转场过程中可以保证所有连接状态不变，到发射阵地后直接进行加注发射，缩短了在火箭发射阵地的测试时间。

以往“长征”火箭推进剂停放时间很短，而“长征”7号推进剂可安全停放24小时。火箭推进剂安全停放时间长，就能灵活应对多种发射需求，而且在发射前程序最为复杂的阶段减少了工作量，可以为成功发射争取更多有利时间，提高可靠性。

火箭在发射场进行的垂直总装、垂直测试、垂直转场，被称为“三垂模式”。现役火箭中采用的“三垂模式”，其箭地连接工作在技术区和发射区要进行两次，而“长征”7采用“新三垂模式”，仅一次对接就可以完成工作，状态的一致性更好，且前端地面测发控设备在技术区进行了充分测试，转至发射区以后出现故障的概率更低，有效提高了发射的可靠性，同时也缩短了发射工作时间，降低了火箭转场后遇到恶劣天气再返回技术区的情况发生。

因为“长征”7火箭是采用海运方式从天津运到文昌航天发射场的，过载环境主要表现为低频晃动。过载环境差会危害火箭的结构。为此，我国专家设计出了一整套运载火箭海上环境保障措施和火箭集装箱减摇减振的手段，并使火箭货舱内始终维持适宜的温、湿度及盐雾度。火箭海运过程中，在火箭的芯一级、芯二级、助推器、整流罩上，及它乘坐的船上、装载的集装箱上布了30个测点。结果表明，其过载环境数据不仅优于设计值，而且仅为铁路运输过载环境数据的1/3、公路运输的1/2。过载数据值越低，火箭的运输环境就越平稳，对火箭结构的影响就越小，这有利于火箭安全抵达目的地。所以专家称，火箭走公路、铁路，就像坐‘硬板床；乘船走海运，就好似坐‘沙发。”

海南文昌新基地

“长征”7的这次发射也是我国首次启用新建的海南文昌发射场发射。它于2009年9月14日正式开工，2014年10月中旬基本竣工。目前可以发射“长征”5、7系列运载火箭。未来将主要承担货运飞船、大吨位空间站、地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、深空探测卫星等航天器发射任务。

与使用多次的甘肃酒泉、山西太原、四川西昌3个老航天发射场相比，低纬度滨海发射基地——海南文昌航天发射场，发射塔离海仅800米，具有纬度低、发射效率高、射向宽、落区安全性好、海运便捷等优势。

从那里发射的火箭，其发射方向1000千米范围内是茫茫大海，所以火箭航区、残骸落区的安全性好，坠落的残骸不易造成意外。火箭发射后其第一级火箭坠落于南海，即可以避免对居民人生安全的伤害，又可以避免地面危害。而在酒泉、太原、西昌发射中心，每次发射火箭，都要临时迁移大批居民，以防止第一级火箭坠落时对当地居民的伤害。

海南文昌航天发射场位于北纬19°，因而具备了低纬度的优势。火箭发射场距离赤道越近、纬度越低，发射航天器时就能越大程度地借助地球自转的线速度，以及惯性带来的较大离心现象，使火箭燃料消耗大大减少，用同样燃料可以达到的速度也更快，从而能提高地球同步轨道卫星的运载能力。西昌、太原、酒泉发射场的纬度分别为28°、38°、41°。据悉，在文昌发射地球同步卫星比在西昌发射火箭的运载能力可提高10%～15%。并且入轨角度比较好，仅在校正夹角上减少卫星调姿消耗的燃料就可使卫星寿命延长2年以上，效费比高。

发射基地选在海南，火箭可以通过海路运输，火箭的大小就不受铁路运输的限制。我国“长征”2、3、4等系列火箭由于受到铁路运输的限制，主要是受涵洞大小的影响，其组件的最大直径只能限制在3.5米。今年晚些时候，我国还将在文昌航天发射场首次发射“长征”5新一代大型运载火箭，其芯级的直径为5米，用公路、铁路运输都难以满足要求，只能采用海运。

责任编辑：武瑾媛