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长征七号A首飞:旧瓶装新酒,同步轨道走

中国科普博览

作者|长征⑨号团队  来源|中国科普博览(ID:kepubolan)

2016年6月,新一代中型液体燃料运载火箭长征七号首飞成功,并于2017年4月成功将天舟一号货运飞船送入太空。此前,在《长征七号,走你》一文中,笔者就提到,长征七号的后续改进型长征七号A运载火箭具有将载荷送入地球同步转移轨道(GTO)的能力。

就在去年,长征七号A也算千呼万唤始出来,开始了自己的首秀。然而非常不幸的,由于运载火箭的一些问题,首次任务失利。

这个几乎出乎所有人意料的结果给我们上了一堂课:航天工程作为一门系统工程,它并不是像搭积木那样“1+1=2”的。即便集成了成熟乃至先进的技术,如果在统合的时候发生了问题,那么最后就会得到“1+1<2”甚至“1+1=0”的悲剧。

这就是系统工程这个学科的重要与精妙所在,也是要求我们时刻保持谨慎的一记警钟。

当然,我们的航天人面对失利也没有气馁,在时隔一年之后,我们的“长七A”再度踏上征程,航向自己的目标。

2021年3月12日,中国文昌航天发射场,我国新一代中型高轨液体运载火箭长征七号A运载火箭发射成功,将试验九号卫星顺利进入预定轨道。

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长征七号A运载火箭起飞 来源:中国航天科技集团

有些人可能会奇怪,将载荷送去地球同步转移轨道的话,明明长征三号乙这种金牌火箭用得好好的,为什么还要安排“长征七号A”?这可以从几个方面来解释。

首先,是已经被吐槽了无数次的“烧毒”问题。

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长征三号乙(图片来源:国家航天局)

尽管“长征三号”系列运载火箭已经是我国运载火箭历史上的传奇,享有“金牌火箭”的称号,但其主要动力所使用的UDMH-N2O4(偏二甲肼-四氧化二氮)的燃料体系,在目前看来已显得落后。尽管UDMH-N2O4体系具有混合即燃、可常温贮存、密度比冲高的优点,然而无论是偏二甲肼还是四氧化二氮都是具有高毒性以及腐蚀性的。一枚火箭需要数百吨的燃料,即便有极少量的燃料没有得到燃烧,也将导致大量污染物的泄露。这同时也意味着,在一枚火箭发射升空之后,发射场仍然是具有相当大的污染风险,而落区也将遭受污染。

与之形成鲜明对比的是,“长征五号”发射成功之后仅仅数分钟,工作人员便能接近余温尚存的发射架进行检查。因此,改变火箭燃料,将为地面工作者提供相当大的便利。

其次,是“长征七号A”所带来的的GTO(地球同步转移轨道)运力提升。

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红色的就是地球同步转移轨道(图片来源见水印)

尽管“长征五号”的GTO达到了14吨,能够发射未来的新一代超大尺寸通讯卫星平台“东方红五号”,然而在地球同步轨道上运行的不仅仅有通讯卫星,还有导航卫星、对地观测卫星等等。例如我国的高分四号卫星,它位于地球同步轨道上开展对地观测任务,分辨率达到了50米级。但值得注意的是,“高分四号”质量约5吨,接近了“长征三号乙”的运力上限,而更高的对地观测精度要求(例如20米级)将会让成像系统继续小幅增重。显然,“长征三号乙”将无法满足未来的发射需求,而动用“长征五号”则是“杀鸡用牛刀”,过于浪费。

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搭载“高分四号”卫星的长征三号乙运载火箭发射升空(图片来源:新华社记者薛玉斌 摄)

那怎么办呢?如果基于已有的“长征七号”构型,再添加一级“长征三号甲”系列大量应用的,以YF-75氢氧发动机为主要动力的上面级,就可以拥有7吨的GTO投送能力!正好可以满足此类更大质量同步卫星的发射需求,这正是“长征七号A”的诞生思路。同时,当前国际主流地球同步轨道通讯卫星的质量在5-7吨,这也意味着,“长征七号A”在国际通讯卫星发射市场中也将具有一定的竞争力。

第三,“长征七号A”运载火箭芯级尺寸为3.35米。

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长征七号A(图片来源:中国运载火箭技术研究院新闻中心)

这就意味着,它能靠火车运输的方式前往我国内陆的三大发射场,只要我们对已有的发射工位进行改造或者直接新建发射工位,就有机会开展发射任务。在文昌卫星发射中心仅有1个“长征七号”发射工位的情况下,能够在更多的发射中心发射,将有可能更加有效地分流发射压力。

第四,“长征七号A”利用了大量成熟的技术与成果,未来也具有相当的改进潜力。长征七号A的芯一级与助推级发动机是与长征五号同款的YF-100,二级发动机是与长征六号同款的YF-115,上面级是与长征三号同款的3米直径箭体,YF-75发动机等,这些都是比较成熟的技术。而未来在应用了YF-100K泵后摆式发动机、基于YF-100发展的高空版大推力液氧煤油发动机、YF-75D发动机、3.35米直径上面级后,“长征七号A”的运力及整流罩直径将能够得到进一步提升,为载荷提供更多的设计余量,还可以为卫星设计师们的头发提供更加充足的保障。

第五,“长征七号A”将首次出现助推器与芯级不分离的情况。我们知道,去年发射成功的“长征八号”系列运载火箭,其存在一个“组合型”的垂直回收版本,也是助推器与芯级不分离的。此次“长征七号A”运载火箭在第一级分离后,也将为后续可能的火箭垂直回收复用提供更多的基础数据。同时,如果“长征七号A”以及后续改型仍然选择在内陆地区发射的话,其在我国领土内的落区个数也将缩减,尽管不能变成0,但其对于保护落区人民的人身与财产安全仍然有着重要的作用。

此次“长征七号A”的首飞成功,尽管其意义不如“长征五号”那么大,但依然影响深远。可能在不远的将来,功勋卓著的老一代火箭“长征二号”、“长征三号”、“长征四号”或将逐渐让位于这些后起之秀,新一代的运载火箭将挑起大梁,让我们更好地拥抱太空。

编者按:本文转载自中国科普博览(ID:kepubolan),监制:中国科学院计算机网络信息中心


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