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带你看看长征火箭发展史:继往开来
发布人:admin 发布时间:2022/5/20 浏览次数:898

    随着20世纪90年代“长三乙”等一系列火箭的首飞,中国完善了火箭体系,但同时既有的长征火箭也暴露出一系列问题。包括燃料成本高昂且剧毒、直径偏小、型号偏多和型谱重叠等。例如尚在服役的长征二号C与长征二号D,二者的LEO运载能力近似,均为3至4吨,却一直作为两个独立的型号存在,这就是一种航天资源的浪费。

    同时,随着卫星小型化、微型化技术的发展,微小卫星因为制造成本低、研发速度快等优势,在卫星领域异军突起,成为了一支不可小觑的力量。为了适配微小卫星的发射需求,发射成本低、运载能力合适的小型火箭也成为了新的发展目标。

    此外,随着中国载人航天工程的持续推进,未来的空间站以及其他大质量卫星的发射需求也超过了当时“老长征”火箭的运载能力,研发新型火箭的需求越来越急迫。到了2002年,为了解决“老长征”火箭的一系列历史遗留问题,航天部门提出了“模块化研制、积木式发展”的想法,并且根据这个想法确定了“一个系列、两种发动机、三个模块”的发展思路以及“通用化、系列化、组合化”的设计思想,这在2006年新火箭立项开始研制时公布的方案中得到了充分体现。

    在最初的设计方案中,新一代火箭长征五号只需要设计三个模块:5米直径液氢液氧燃料的火箭芯级、使用液氧煤油燃料的3.35米直径模块和同种燃料的2.25米直径模块。外加新型50吨推力的YF-77氢氧燃料发动机和120吨推力的YF-100液氧煤油发动机,它们共同构成了最初长征五号的设计方案。

    当时的长征五号一共有6种不同的构型,它们以直径5米的芯级为核心,通过将3.35米和2.25米两种直径的助推器进行类似于搭积木一样的互相搭配,覆盖了LEO10至25吨、GTO6至14吨的巨大运力范围。

    例如使用5米直径一级捆绑4个2.25米助推器的一级半构型,LEO运力就是10吨;把助推器换成4个3.35米直径的大助推器,LEO运力就能达到25吨。

    又或者使用5米直径的一级再加一个二级,捆绑4个2.25米直径的助推器,就能实现6吨的GTO运力;把助推器换成3.35米直径,就能实现14吨的GTO运力。除此之外,还可以将3.35米和2.25米模块单独作为火箭芯级使用,成为新的中、小型系列火箭,以替代使用剧毒燃料的“老长征”系列。
    
    此后,长征五号火箭的方案经历过一些更改,到了2009年与2010年,原本作为长征五号系列中衍生型号的小、中型火箭分别独立出去,形成了长征六号与长征七号两个新系列,长征五号系列中仅剩下5米芯级直径的大型火箭。同时为了避免像过去长征二号C、D运力重叠的情况,长征五号最初的6个方案中只保留了LEO与GTO运力最大的两个方案,就是现在的长征五号和刚刚成功发射的长征五号B火箭,其他运力范围的发射任务由后来发展出的长征六号与七号承担。

    长征六号设计之初为长征五号计划中的小型运载火箭,后于2009年从计划中独立出来单独发展,采用了长征五号计划中研发的高压补燃循环液氧煤油发动机YF-100,和利用同样技术开发的YF-115,同时配合2.5米、3.5米两种直径模块。

    相比起长征五号追求最大运力,长征六号的目标则是轻小载荷的发射。其最大太阳同步轨道运载能力只有1吨,解决了我国没有小型运载火箭的问题,满足了微小卫星的发射需求,此外,她还具备较低的发射成本和快速准备能力。

    低发射成本并不代表不可靠,长征六号设计时遵循着“简单即可靠”的设计原则,搭配以严格的质量管理措施,其可靠性达到了0.98,比承担载人任务的“神箭”长征二号F的可靠性(0.97)还要高。

    随后,研究人员们在基础型长征六号的基础上将一二级尺寸加大,二级直径加粗至3.35米,并捆绑了四个固体燃料助推器,就变成了我国首型“混合燃料”火箭——长征六号改。长征七号(CZ-7)最早的计划其实是在长征二号F的基础上进行改进,项目代号是长征二号F/H,“H”就是“换发”的意思,即将老旧的使用偏二甲肼/四氧化二氮剧毒燃料的YF-20系列发动机更换为长征五号项目中正在研制的性能更好、燃料无毒还便宜的YF-100和YF-115型液氧煤油发动机。

    与长征五号早期发展方案类似,长征七号也可以通过类似于搭积木的方式搭配不同的助推器与二三级,形成不同子型号,以发射多种不同重量等级的卫星。

    为了方便区分之后有可能出现的不同模块搭配的火箭子型号,对其进行了重新命名,名称为长征七号XYZ。

    其中X是级数,Y是助推器个数,Z是助推器类型。

    使用固体燃料助推器的构型用S表示,对液体燃料助推器省略。

    有上面级的构型增加/上面级加以区分,其中芯二级采用氢氧发动机的构型,增加(HO)加以区分。

    例如捆绑2个2.25米直径的液体燃料助推器,芯二级采用氢氧发动机的2级半构型命名为长征七号22(HO),后续发展成为长征八号运载火箭。而归功于“模块化”“组合化”的设计思路,长征八号也可以取消两台助推器变为二级构型,不需要大规模更改设计,可以更高效地满足任务要求。又比如把“长三甲”系列的氢氧燃料三级装到长征七号基本型上,就成了长征七号改(长征七号A),代号长征七号34,可以用于发射6~7吨重的GTO载荷。遗憾的是,2020年3月长征七号A的首次发射就遭遇了失败。

    但道路是曲折的,前途是光明的。仅仅一年后,2021年3月12日长征七号A在海南文昌航天发射场201工位发射升空,任务取得圆满成功!

    除了长征五、六、七号之外,利用新型固体燃料弹道导弹技术改进的长征11号、快舟系列运载火箭以其快速响应、快速发射的优越特性,与同样可以快速发射的长征六号在近年来的小卫星发射活动中占据了一席之地,可谓“固液两开花”。

    长征十一号运载火箭的起飞质量仅57.6吨,SSO运载能力400~700千克,最大的亮点在于其超短的发射准备时间,只需要24小时就可以完成星箭技术准备和发射任务,实现卫星的快速组网和补网,可以满足在发生突发事件时应急快速发射的需求。除此之外,很多微小卫星需要发射的轨道差异较大,同时安装在中型火箭上通过“搭车”的方式发射升空又要等很久,但如果直接使用小型火箭发射,则可以根据自身需求定制轨道参数,还可以在很短的时间内就将卫星发射升空,这在商业卫星领域的诱惑力是巨大的。

    从长征一号到长征十一号,中国航天事业历经了50年的艰难长征,取得了一系列辉煌的成就。实践、风云、神舟、北斗、嫦娥、天宫、天舟、悟空、墨子……这些熟悉的名字经由长征系列运载火箭的托举,进入了广阔的太空之中。可以说,一代代长征火箭,是一代代中国人艰苦奋斗、自力更生的回忆。我们在发射前期待满满,我们在发射时神情紧张,我们在成功后欢欣鼓舞。

    进军太空的旅程又赋予了长征系列运载火箭一个新的含义——突破群星间的距离,将是一场更加遥远艰险的长征。但我们依然对广袤的宇宙心驰神往。

    更大、更先进的火箭呼之欲出,它,可能也将冠以“长征”之名。

    我们正在建设自己的“天宫”空间站,取回了来自月球的第一抔土,还向火星送去了天问一号探测器……

    我们将要前往更加浩渺的星际空间,飞出小行星带。我们还会在未来载人登月,新时代的“嫦娥”将踏足广寒。

    始终不变的,是长征火箭的呼号,是我们长征太空的梦想!




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