長征七號首飛的十二大看點 一項絕招在裡面

作者 92JM

6月25日晚八時,長征七號運載火箭從海南文昌發射中心成功發射,這次發射意義重大,在中國航天發展史是一個里程碑。下面我們以時間順序來梳理這次發射成功的十二大看點。

1、海南文昌航天發射基地從建設步入使用

此次發射是海南文昌發射中心的首射,標誌著中國第四個航天發射基地從建設步入使用。這個發射中心位於海邊,並專門建造了一艘用於運輸火箭的‘遠望-21’,中國運載火箭的直徑從此擺脫了鐵路隧道3.35米的限制,更大直徑的長征五號、長征九號也將在文昌發射。

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2、掌握“單軌差速轉彎行走技術”

這次長征七號運載火箭採用改進後的垂直總裝、垂直測試、垂直轉場“新三垂”測發模式,縮短了火箭在發射區的射前準備時間,有效提高了發射可靠性。這項技術整體達到國際先進水平。火箭立在臍帶塔上垂直轉場時,由於“頭”部包裹著衛星,行走起來“頭重腳輕”,因此要“小步慢行”。臍帶塔連同火箭是個長26 米、寬23米、重1800 噸的“大傢伙”,從總裝廠房到發射塔的軌道有四次60°轉彎(下圖)。我國是第2個掌握“單軌差速轉彎行走技術”的國家,也是繼美國、歐空局、日本之後第4個掌握“發射平臺轉彎行走技術”的國家(機構)

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3、採用高可靠性的點火方式

長征七號在接到零號指揮員下達的“點火”指令後,有一個短暫的“沉寂期”。在大約7秒後才會在電視畫面上看到長征七號噴射出火焰。這是因為以往中國發射的火箭是依靠火工品點火,通過火藥啟動劑點燃火箭,為一次性使用,存在無法點燃的風險。

長征七號火箭使用的是我國第一臺閉式發動機,具備多次啟動能力,其點火原理是通過高壓煤油本身衝破點火器,推到預燃室,再進入發動機。由於高壓補燃會多出5秒的洩壓時間,所以導致噴火時間延後,7.4秒後才能看到火焰。這種點火方式可靠性更高,操作更加簡單,啟動更加平穩。

今後我們在觀看長征-五號、六號、七號、八號火箭的發射直播時,看到‘點火’指令下達之後火箭還沒動靜,別緊張再等七秒。順帶說明一下,美國的航天發射不是在0秒點火,在0秒之前已經點火,0秒是起飛。

4、長征七號將取代長征二三四號火箭

長征七號火箭的芯級的直徑之所以仍是3.35米,是為了可以在西昌、酒泉、太原三個基地發射,它最終將取代長征二、三、四號運載火箭。長征七號通過不同組合形成一系列火箭(下表),例如是否捆綁助推器、採用2個或4個助推器、芯二級採用氫氧發動機還是煤油發動機,是否有第三級火箭(氫氧發動機)。

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下面這個圖表是不同組合的長征七號在不同軌道的運載能力,不但涵蓋了之前長征2/3/4號火箭,而且最大運載能力提高了50%。表中編號的‘7XY’X代表幾級火箭,Y代表幾個助推器。如此次發射的是724,兩級火箭+四個助推器。‘長征八號’實際上是長征七加第三級火箭,芯三級採用兩臺YF-75D(8噸推力)氫氧發動機,即CZ-73Y

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從下圖可以看到長征-7號的助推器比長征-2F的長得多,同是兩級火箭(3.35米) + 四個助推器(2.25米),長征-7的起飛總重比長征-2F增加137噸,因為長七的六臺YF-100的推力,比長二F的八臺YF-20增加了133噸。兩型火箭的總重/起飛總推力是0.8140.767;載荷重/總重是2.26%1.96%,上述兩組比值表示換算成相同重量的火箭,長征七號可以運送更多的載荷。

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5、YF-100煤油發動機性能穩定技術先進

長征七號火箭採用六臺YF-100煤油發動機,它的成功發射證明了該型發動機的高可靠性。同時,YF-100還具有世界首創的‘燃氣滾控系統’,利用一級發動機渦輪泵後引出高溫高壓燃氣,與發動機一起對火箭進行姿態控制,保證飛行中的姿態穩定。

YF-100煤油發動機採用高壓補燃(又稱分級燃燒循環)技術,簡單地說就是,燃氣發射器產生的富氧燃氣進入燃燒室再次燃燒,所以推力大。它可以最大限度地利用燃料的化學能,載荷重量可提高10%,是第二代航天技術動力裝置的發展方向。如果用高壓補燃的YF-100煤油發動機,取代東風五號火箭的YF-20,二級採用東風2X固體火箭,那麼可儲存的燃料提高了戰略導彈的緊急反應能力,使得中國的24個戰略導彈發射井還可以繼續發揮威懾作用。

長征七號相當於美國德爾塔IV火箭中的M構型(下圖的中間兩型),該型火箭是美國德爾塔系列火箭中發射次數較多的構型,從2003年首發至今共20次,而重型德爾塔IV從2004年至今僅發射8次。


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6、長征七號火箭可發射大型軍事偵察衛星

德爾塔IV火箭目前承擔的主要發射任務就是為美國空軍、國家安全局、反導局等機構發射代號為USA系列的軍事衛星。例如美軍的“鎖眼”系列衛星,近地點265公里,遠地點650 公里,重13.5~18噸, 其中的KH—11、KH—12型照相偵察衛星的地面分辨率達到了0.1米,在世界先進的偵察衛星中可謂是大名鼎鼎,曾在在“海灣戰爭”和“科索沃戰爭”中立下汗馬功勞。長征七號的近地軌道載荷達到了13.5噸,雖然對外宣傳是為了發射天舟貨運飛船,實際上完全可以用於發射13噸級別的大型偵察衛星‘中國天眼’。

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7、遠征1A新型‘擺渡車’

遠征1A上面級是一種具有獨立自主飛行、多次啟動、長時間在軌的航天器,由長征七號運載火箭發射進入地球軌道後,能將其他同行的有效載荷從某一軌道送入其他軌道或空間位置。遠征1A的主要任務是:驗證多次啟動、長時間在軌飛行等技術,並作為其它載荷的搭載平臺,按程序將遨龍一號、翱翔之星、天鴿飛行器分別“擺渡”到不同的預定軌道,開展相關在軌試驗。

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2015年3月30日,我國首個“太空擺渡車”遠征一號上面級,將北斗全球導航試驗星完美地“擺渡”到遠至幾萬公里的同步軌道,但它只能2次啟動,即只能運送2個載荷。此次發射的遠征-1A是升級版,具有9次的重新啟動能力,在軌飛行時間從6.5小時延長至48小時。相應地也攜帶了更多的燃料,所以它可以最多運送9個載荷到多個不同的軌道。

遠征-1A具有“高集成性、高複雜性、高顯示度”的特點,可搭載的載荷結構形式各異,外廓尺寸從0.2米到2.8米、高度從0.3到2.3米,重量從18千克到2.8噸,接口需求複雜、目標軌道不同、分離時間不同,對滿足不同任務具有良好的適應性。下表是美俄歐的主力‘擺渡車’性能對比,可見,遠征-1A的性能已進入世界先進水平

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在2014年航展上展出運載能力更大的‘天運一號’,它將由長征五號攜帶升空,具有‘數十次’的啟動次數、在軌時間可達10天。

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8、可重複使用的飛船返回艙

此次長征七號搭載了一個1:0.6

的多用途飛船縮比返回艙,它是中國第二代飛船返回艙,採用返回艙加過渡段的兩艙構型,外形為全新的倒錐形。試驗的主要任務是:獲取返回艙飛行的氣動力和氣動熱數據,驗證可拆卸防熱結構設計,為後續新型載人飛船的論證設計和關鍵技術攻關奠定基礎。由於採用‘可拆卸防熱結構’設計,將來正品的返回艙回收後,經過檢測後裝上新的防熱結構,可重複使用。

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9、首次搭載自行研製的太空機械臂

中國為空間站研製了兩型太空機械臂,位於核心艙的機械臂具有七個自由度,臂長為10.2米,承載能力為25噸。雖然不及加拿大為國際空間站配套的機械臂(17.6米臂長和116噸承載),但是中國沒有航天飛機,空間站的每個艙段略小於25噸,所以用於空間站的組裝已經夠用,而且中國的太空機械臂的線速度和角速度都是世界最大的,也就是說中國的機械臂可以運行得更靈活

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下圖是太空機械臂的實物圖、以及在空間站上的位置。實際上中國的太空機械臂是一個‘機器人’,它在空間站上不是固定在一個地方,而是可以在空間站的外殼上緩慢地爬行

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10、遨龍一號——空間碎片主動清理飛行器

多年前的論文(下圖)就顯示中國在研製空間碎片主動清理飛行器,清理的方法有二。一是採用機械臂抓捕太空碎片,將碎片放入網兜,再進行鈍化處理;二是利用高能脈衝激光束照射碎片表面,產生類似於火箭推進的‘熱物資射流’,降低碎片的軌道高度以縮短其軌道壽命。此次‘遨龍一號’就是驗證抓捕清除碎片的關鍵技術。

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下圖是‘遨龍一號’的飛爪抓捕裝置和抓捕流程。如果將擺渡車、機械臂和‘遨龍’等技術組合起來,研製一型13噸的‘太空清掃車’,那麼它就不僅僅是主動清理碎片,對不合作的小衛星可以給它一個推力讓它墜落,對大衛星可以給它照一下‘手電筒’讓它失效。


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11、在軌加註實驗裝置

貨運飛船除了運送空間站所需的生活物資和試驗材料,還要給航天器補充維持軌道所需的燃料,所以要建設空間站就必須掌握在軌加註技術。下圖是我國空間站推進劑補加系統的壓氣機,中國是除俄羅斯之外第二個掌握此技術的國家。此次搭載的在軌加註實驗裝置與遠征1A上面級不分離,此時的遠征1A類似於“太空加油機”,驗證在空間軌道上為衛星、空間站等航天器進行氣、液補給。

給衛星加註燃料的目的是延長衛星的工作壽命,多數衛星是因為多次變軌或長期維持軌道、耗盡燃料而失效,而不是衛星的零部件到壽命。前面提到的採用擺渡車運送衛星入軌,就是為了衛星入軌時不用消耗自身攜帶的寶貴燃料、延長其壽命的一種措施。例如東方紅系列通信衛星的燃料佔總重量之比分別是:東三是38%,東四是58%,東五是54%。衛星重量增加的同時,燃料佔衛星重量的比例也在提高,為的就是增加衛星的實際使用壽命。

有了給衛星加註燃料技術,還可以增加偵察衛星變軌的次數。要給衛星加註就需要具備對目標衛星接近並捕獲能力,而這個能力同時還可以用於破壞敵方衛星,例如接近後給目標衛星的外殼或太陽能板噴點塗料。

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12、放飛中繼衛星和立方小衛星

此次搭載的2個‘天鴿’飛行器是開展在軌信息中繼技術試驗,它可以作為信息中轉站,進行天地信息傳輸。嫦娥四號將在月球的南極(背對地球)降落,就需要發射一顆中繼衛星在L2點,才能讓嫦娥四號與地球保持通信。下圖是天宮一號的伴飛小衛星(BX-2),此次‘天鴿’可能是BX-1。

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長征七號還搭載‘翱翔之星’小衛星,它採用標準立方星理念設計,下圖是‘翱翔之星’的實物,以及長七發射時的動態模擬圖像,可以對比整個載荷艙與‘翱翔之星’的大小。它的質量是33Kg,在軌工作壽命1年,將開展地球重力場測量、空間抗輻射實驗以及自然偏振光導航技術驗證等一系列創新實驗。


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