长征－7新一代中型运载火箭首飞大捷 中国空间实验室任务顺利开启

中国航天/ Aerospace China

长征－7新一代中型运载火箭首飞大捷 中国空间实验室任务顺利开启

2016年6月25日，我国首枚新一代中型运载火箭长征－7在新建的海南文昌航天发射场顺利升空，把远征－1A上面级、多用途飞船缩比返回舱等载荷组合体送入近地点200km、远地点394km的椭圆轨道，这标志着长征－7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。

这次发射是载人航天工程空间实验室阶段4次飞行任务的开局之战，实现了成功首飞的预定目标，为后续任务打下了坚实基础，后续将陆续发射天宫－2空间实验室、神舟－11载人飞船和天舟－1货运飞船。它也是我国大中型运载火箭更新换代的开幕战和海南文昌航天发射场的第一战，为今年晚些时候长征－5新一代大型运载火箭的首飞积累了经验。

长征－7首飞升空验证了设计的正确性和各项性能指标，考核了海南文昌航天发射场系统执行任务的能力，检验了工程相关系统间的协调性和匹配性。同时，该火箭搭载的多用途飞船缩比返回舱等载荷开展了相关技术试验。

所以，长征－7首飞在中国运载火箭技术发展史上具有里程碑意义，对于构建我国未来空间运输体系、加快我国现役运载火箭的更新换代，都起到巨大的推动作用。

1 物美价廉的新火箭

长征－7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，采用两级半构型，其最大的变化是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的低温液氧/煤油发动机。由于液氧的温度为－183℃，所以火箭在保持低温、防水、隔热等方面要面面俱到。例如，必须通过绝热方式对火箭进行严格控制，需给这一“冰箭”穿上“绝热服”，保证火箭不被热量“入侵”，其低温贮箱外表1～2cm厚、密度极低的隔热结构也像给火箭披上了一件“防寒服”，有了这件“防寒服”，尽管推进剂温度如此之低，但火箭外表面温度依然能保持在0℃以上，可防止低温贮箱外表面温度过低而导致结冰，以及极低温度对仪器、电缆等的影响；另外，为了防止空气中的水蒸气因低温凝结，长征－7在设计时还考虑了防水设施。

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：一是可以显著提高火箭的运载能力，长征－7上的120t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%，把我国火箭的近地轨道运载能力由8.5t一下提高到13.5t。二是推进剂绿色环保，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，液氧和煤油燃烧后产生的二氧化碳和水不会对环境造成任何污染，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，秉承了我国航天绿色环保的发展理念，顺应了国际潮流。三是推进剂来源广泛、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的价格为1万元，而偏二甲肼每吨的价格为8.2万元；作为氧化剂的液氧每吨的价格为2000元，而四氧化二氮每吨的价格为1.8万元，总平均成本仅为常规推进剂的约1/10。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千万元。四是液氧/煤油发动机可以重复使用，如果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。

长征－7火箭完成垂直总装测试

长征－7是两级半构型的全液氧/煤油火箭，使用了新型的YF－100、YF－115液氧/煤油发动机。其基本型箭体总长53.1m，芯级直径3.35m，并联了4个直径2.25m的助推器，起飞质量约597t，起飞推力720t，近地轨道运载能力13.5t。其芯一级直径为3.35m，装有2台单台推力为120t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2.25m的助推器，每个装有1台单台推力为120t的单摆液氧/煤油发动机（YF－100）；芯二级直径为3.35m，装有4台单台推力为18t的双摆液氧/煤油发动机（YF－115）。其整流罩直径4.2m。

该火箭的外形和我国现有的火箭体型差别不大，但为了储存更多的燃料，提供更强的动力，它的助推器长约27m，接近现役火箭助推器长度的2倍，而这种改变也需要对火箭的设计进行全面的更新。现役火箭固定助推器采用2个捆绑点，而长征－7火箭又增加了1个捆绑点，相对现役火箭的捆绑方案，长征－7捆绑装置的设计难度大大增加，但可靠性大幅提升。

长征－7前期将执行发射货运飞船的任务，后续将执行发射载人飞船的任务。该火箭对未来主战场卫星发射任务具有良好地适应性，通过卫星发射可以为载人航天任务积累可靠性子样，确保载人航天发射的可靠性，现计划在2020年后用长征－7发射载人飞船。

由于采用了新体制，所以长征－7火箭更可靠。该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。为了更好地控制火箭的飞行过程，将航天器精确送入轨道，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，所以可靠性得到大幅提升。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。在每个舱段中都安装了控制系统，改变了以往集中处理的方式，减轻了控制系统压力，这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。长征－7在未来成熟后，将成为新一代载人火箭，用于发射新一代载人飞船。

按照我国运载火箭的型谱规划，这次发射长征－7火箭是我国新一代中型运载火箭的基本型，其成功发射也将带动未来其他构型火箭的研制。它采用了高可靠、高安全、通用化、组合化设计，以长征－7基本型火箭为基础，可通过调整助推器个数、增加固体助推器、增加上面级、增加氢氧三子级，衍生出多种构型的火箭，实现我国新一代中型运载火箭的系列化，从而全面满足发射近地轨道、太阳同步轨道和地球同步转移轨道等各种轨道航天器的需求。例如，可研制太阳同步轨道运载能力为5.5t和地球同步转移轨道运载能力为7t的中型运载火箭，承担国内外主流卫星的发射任务。由于该火箭的芯级直径和助推器直径分别为3.35m和2.25m，既可以用铁路进行运输，也能采取海运方式，所以长征－7在我国4个航天发射场都能发射。预计到2021年火箭各项技术趋于成熟稳定时，长征－7将逐步替代现有的长征－2、3、4系列，承担我国80%左右的发射任务。

长征－7通过移动发射平台以平均15.3m/min的速度行驶。经过约3h，行进2.8km后，顺利转由垂直总装测试厂房运至发射架。图中正在关闭发射架，进行发射前的最后准备（秦宪安/摄）

2 中国航天的新动力

长征－7的最大亮点是采用了多台全新的液氧/煤油发动机这种低温动力系统，它由中国航天科技集团公司六院研制。其中，火箭的助推器与芯一级火箭一共使用了6台120t液氧/煤油发动机，第二级火箭使用了4台18t液氧/煤油发动机。

在研究这种新一代发动机之初，我国专家就决定选择无毒的液氧和烃类推进剂。通过比较煤油、甲烷和丙烷等几种推进剂，研制人员确定了采用代表技术发展趋势的液氧/煤油作为推进剂。然而，火箭“喝”的煤油不同于一般的煤油，具有密度大、热值高等特点，经过努力，我国研制出了国产的火箭煤油。

在其研制过程中突破了近80项设计、制造、试验技术，带动了我国50余种新材料的研制，其中最为突出的是以下7项新技术。

1）先进的补燃循环技术。液氧/煤油发动机采用的补燃循环是一种闭式循环，能使全部推进剂的化学能得到充分释放，提高了发动机的性能。所谓补燃循环是燃气经涡轮做功后进入燃烧室进行二次燃烧（补燃），从而更充分地利用推进剂的能量。相对发生气循环来说，补燃循环方式的综合效率更高，但结构较为复杂，设计难度大。

2）先进的自身起动技术。补燃发动机首先要解决自身起动这一难题。我国以往的发动机需要依靠专门的火药起动器等装置，而液氧/煤油发动机实现了自身起动，二者的差距如同将老式的手摇拖拉机改为了一拧钥匙即能启动的汽车。

3）大范围推力调节技术。为了提高运载火箭的性能和适应性，液氧/煤油发动机具有大范围推力调节能力，如同自动档的汽车，可以实现无级变速。对于载人航天来说，通过推力调节可以有效降低火箭飞行中的加速度，提高航天员的舒适度，降低对航天员的体能要求，使普通人也有望遨游太空。

4）先进的高效燃烧技术。在空间很小的腔体内完成推进剂的高效燃烧，是液体火箭发动机技术诀窍。液氧/煤油发动机燃烧腔体较小，而燃烧效率达到98%以上。

5）高压大功率的涡轮泵技术。涡轮泵是发动机的动力源泉，被称为发动机的心脏。液氧/煤油发动机的泵产生的最高压强达到500个大气压。

6）多次试车技术。与常规发动机只要一试车就报废、只能一次性使用相比，液氧/煤油发动机在地面可重复试车，重复点火，从而节约研试成本，缩短研制周期；每台发动机交付前，均进行工艺验收试车，大大提高了火箭飞行的可靠性及性能。由于液氧/煤油发动机具有多次工作的能力，发动机生产出来后可以进行试车考核，通过“磨合”试验后重新校准、检查，合格后再交付使用，使发动机的精确度和可靠性得到保证。同时，可以在此技术基础上研制重复使用的发动机，使运载火箭能实现天地往返的可重复飞行。

7）先进的试验技术。为了保证液氧/煤油发动机的研制，六院建设了亚洲最大的火箭发动机试车台和大功率泵试验室，为我国研制载人登月重型运载火箭的大推力发动机奠定了基础。

利用这7项突出的技术优势，液氧/煤油发动机成为了我国长征－6新一代小型运载火箭、长征－7新一代中型运载火箭和长征－5新一代大型运载火箭的主动力，将为我国今后载人航天、探月工程、空间实验室，乃至深空探索等重大专项任务提供更加强大可靠的动力。

当然，采用液氧/煤油发动机低温动力系统的长征－7，其燃料加注也不简单，它包括贮箱及加注管路置换、加注管路及箭上贮箱小流量加注预冷、箭上快速加注、减速小流量加注、射前补加几个阶段。

在120t液氧/煤油发动机研制中，为了解决高低温、高压、强氧化、高转速、大功率等问题，我国研制开发了近50种新材料，包括高强度耐氧化的不锈钢、高温合金、纳米涂层等等。在新工艺方面，通过技术攻关突破了30多项关键工艺，其中多项技术达到国内领先水平。这些新材料、新工艺一经问世，就受到其他行业的关注并应用，促进了相关产业的发展。

我国新一代大型、小型、中型火箭—长征－5、6、7都使用120t液氧/煤油发动机。通过该液氧/煤油发动机台数的模块化组合，我国可形成低地球轨道10～25t、太阳同步轨道5～15t、地球同步转移轨道6～13t的运载能力，与国外最先进的宇宙神－5、德尔他－4、猎鹰－9、阿里安－5、“安加拉”运载火箭处于同一水平。120t液氧/煤油发动机的研制成功，将为我国载人航天工程、月球探测工程以及下一步深空探测工程奠定坚实的基础。

2016年6月22日，长征－7火箭由技术区转运至发射区途中

3 别开生面的新法宝

从总体上讲，长征－7有六项技术特点与难点。一是新动力，各级均采用新研的液氧/煤油发动机及与之适应的新型低温增压输送系统，研制难度大，但推力大，更环保。二是新布局，助推器长度为现役运载火箭的2倍，采用三支点捆绑方案，使可靠性大增；二级尾舱空间紧凑，通过采用二次分离确保级间分离的可靠性。三是新环境，新型动力系统及多发动机并联导致箭上和地面的力、热环境严酷；海南发射场高温、高湿、盐雾、浅层风及雷电等自然环境条件带来新挑战。四是新结构，采用三维设计/制造技术，打通从设计到制造的全三维流程。五是新体制，使用新型总线控制，实现遥、外测一体化设计，采用天基测控实现重要数据中继传输，使火箭更可靠。六是新测发，采用“新三垂”测发模式，转场过程中保持箭/地气、液、电连接状态不变，起飞段采用大流量喷水系统进行降温降噪，让火箭发射更简便。

长征－7是我国首枚采用全数字化手段研制的“数字火箭”。该火箭在全研制流程没有一张纸质图纸，被称火箭设计从纸质“连环画”变成了“3D电影”。在生产加工阶段火箭实现了“一键式”加工。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。

长征－7火箭被装在活动发射平台上与“脐带塔”连接，从而保证火箭从装配完成到发射时都保持垂直状态（秦宪安/摄）

在试验、装配阶段，这一“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，所以可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火箭的首飞成功，代表了我国近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。

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采用的“新三垂模式”，仅一次连接就可以完成工作，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，减少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，对于海运，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。火箭在海运过程中，在火箭的芯一级、芯二级、助推器、整流罩上，以及它乘坐的船上、装载的集装箱上布置了30个测量点。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值的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，因而越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”。

另外，新建的文昌航天发射场本身也有许多亮点。例如：长征－7火箭转场时能拐4个60°的弯，以便和长征－5火箭共用一个转运轨道，节省占地面积。通过大量的计算表明，长征－7转场要转4个弯，转弯半径应为20m，最大转弯角度在60°左右，这样火箭转弯最省劲儿。而火箭转弯时的速度也是有讲究的。经过3 年的努力，取得了活动发射平台转弯行走原理试验的成功。这是航天发射支持系统的一次重大突破，让我国运载火箭活动发射平台转弯行走实现了零的突破。目前，除日本外，我国是世界上第2个掌握单轨差速转弯行走技术的国家，也是继美国、欧洲、日本之后世界上第4个掌握发射平台转弯行走技术的国家。

文昌发射场有专门的脐带塔。这是因为这里风大，而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的，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。长征－7脐带塔高约64.5m，它们分上、中、下三段，呈锥形，重约250t。国外的火箭也有脐带塔，但长征－7火箭的脐带塔最特别，它的两侧装有6根摆杆，内部铺设有加注、供气、空调管路和箭上众多控制电缆，以及配气台和中频电源房间，因此它的结构及组成是最复杂的。

另外，文昌航天发射场的火箭发射平台采用了喷水降温措施。长征－7发射点火的刹那，温度会高达3000℃，足以溶化绝大多数金属和非金属材料，即便火箭发射平台由特殊材料制成，表面有防热涂层，也很难承受如此高的温度。和过去主要起支撑作用的钢制发射平台不同，文昌航天发射场使用的新一代发射平台功能更强大，它在综合发射系统主要功能基础上，将火箭总控网、控制系统、测试系统部分设备集于一身，如温度太高，发射平台将可能遭到损坏，进而影响火箭发射的安全性。所以专门采用了喷水降温和涂特种防护涂层等方式，使它不怕被高温摧毁。国际上先进的降温方法是喷水降温，文昌火箭发射台的喷水系统分两级，一级位于发射平台上，在火箭发动机点火前给发射平台喷一层5cm厚水膜；二级位于发射平台两旁5m高空，在火箭飞达5m高以后向箭体尾部火焰中心喷水。两级喷水设施各喷20余秒，完成400t的喷水量。在400t水中，有30%的水会汽化到大气中，60%的水则通过导流槽流走，水份蒸发带走大量的热，发射平台核心区降温幅度在1000℃左右。该系统还有良好的降低噪音效果。另外，还要事先给2000m2发射平台涂4t“防晒霜”，对发射平台也有一定保护作用。

4 有效载荷的新成果

这次长征－7发射搭载了远征－1A上面级、多用途飞船缩比返回舱等6种试验载荷。

1）远征－1A上面级。它具有独立自主飞行、多次启动、长时间在轨等特点，由长征－7送入近地轨道后，能将其他有效载荷从某一轨道送入其他轨道或空间位置。其主要任务是：验证多次启动、长时间在轨飞行等技术，并作为其他载荷的搭载平台，按程序将遨龙－1、“翱翔之星”、“天鸽飞行器”等分别“摆渡”到不同的预定轨道，开展相关在轨试验。

远征－1A上面级是在远征－1基础上继承研制的，突破了泵压式发动机在轨多次起动技术。现有的卫星都采用挤压式起动技术，推力相对较小，变轨入轨时间比较长。这次发射的远征－1A采用了泵压式起动技术后，推力为卫星变轨发动机的10余倍，能够加速飞行器的入轨，快速把飞行器送到预定轨道。远征－1A在轨飞行时间从远征－1的6.5h延长至48h，主发动机由2次启动增加至20次启动，分离次数由1次增加至7次。

2）多用途飞船缩比返回舱。它由上面级控制在轨飞行约20h，之后返回舱与上面级分离，再入返回东风着陆场。它主要用于获取返回舱飞行气动力和气动热数据，验证可拆卸防热结构设计、新型轻量化金属材料制造等关键技术，并开展黑障通信技术试验。2016年6月26日15：41，该返回舱在东风着陆场西南戈壁区安全着陆回收，为后续新型载人飞船的论证设计和关键技术攻关奠定了重要基础。

3）遨龙－1空间碎片主动清理飞行器。它是我国在空间碎片主动清理领域的首次在轨验证。它装载了一台机械臂，用于模拟在太空抓取废弃卫星和其他大块碎片，验证碎片清除关键技术，任务结束后进行钝化处理，将它们带到大气层进行烧毁。遨龙－1的应用，将会对未来减少空间碎片、节省太空轨道资源起到积极的促进作用。

4）2个“天鸽飞行器”。它们的主要作用是验证空间组网通信技术，在轨开展信息中继技术试验，此次发射的2个“天鸽飞行器”用于组网进行相互通信，也作为信息中转站进行天地信息传输。下一步，可以发射更多的“天鸽飞行器”，进行局域组网，相互之间通信或与地面进行通信，可以作为发生灾害等情况时的应急通信手段。

5）天源－1在轨加注试验装置。它用于验证我国的太空加注燃料技术，即在轨道上为卫星、空间站等航天器进行气、液补给的试验。航天器的寿命往往受所携带燃料的制约，如何为航天器在轨安全有效地补充加注燃料，即“加油”，一直是国际航天推进领域关注的前沿技术。

此次发射的基于表面张力贮箱的在轨加注试验装置是针对卫星在轨加注需求设计的。该技术具有无补加次数限制、质量轻、功耗低、可靠性高的特点，但技术难度大。天源－1按照预定计划完成了全部在轨加注试验任务。试验图像资料和数据顺利下传，搭载试验取得圆满成功，使我国成为继美国之后第二个掌握卫星在轨加注技术的国家。对补加过程图像资料和数据的分析表明，此次在轨加注装置在轨工作正常，按照预定计划完成了所有试验，达到预期试验目的，通过循环加注泵完成多次在轨补加。该在轨加注装置能够有效实现气液分离，具备可重复补加能力，可以应用于卫星的在轨加注。

多用途飞船缩比返回舱

该装置在轨验证了对接机构的密封性研究、在空间失重环境下推进剂传输的特性、在轨加注技术等。该载荷运用了很多新技术和器件，如新的板式贮箱，其对推进剂蓄留和管理的能力也得到了验证，突破了微重力循环加注流体管理、加注燃料贮箱等核心技术。在轨加注试验装置与远征－1A上面级不分离，试验任务结束后再入大气层烧毁。

6）“翱翔之星”。它是由西北工业大学主持研制的立方体卫星，在轨工作寿命1年，主要验证偏振光导航技术，并开展地球重力场测量、空间抗辐射实验等一系列创新实验。

宗河/文

Perfect First Flight of CZ-7 Launch Vehicle