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长征七号火箭将于2013年发射 用于载人航天

2010年11月17日07:51中国江苏网我要评论(0)
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本次航展,航天展台介绍了长征七号中型运载火箭。

神舟飞船使用长征2F火箭发射,其中有一种设想,使用绿色推进剂取代现有的有毒有害推进剂改进长征2F,这种火箭暂称长征2F(换),暂用代号是CZ-2F/H。替代火箭已经立项,正式命名为长征七号,运载能力将由长征2F的8.5吨增加到13.5吨,将于2013年首次发射。长征七号走系列化发展道路,以后将具备发射多种卫星和飞船的能力。

长征七号使用的推进剂是液氧和煤油,燃烧产物无毒无害,用以取代有毒有害的四氧化二氮氧化剂和偏二甲肼燃烧剂。火箭液体推进剂分为单组元、双组元和三组元。单组元由一种单相液体化合物或混合物组成,兼有燃烧剂和氧化剂的性能。双组元液体推进剂由液体燃烧剂和液体氧化剂组成,一起发生燃烧并产生能量。三组元液体推进剂由双组元液体推进剂和添加剂组成,添加剂能大幅提高能量。目前双组元液体推进剂是最常用的,长征火箭推进剂都是双组元。推进剂要求有尽可能高的的能量,用比冲表示。比冲也叫比推力,是发动机推力与每秒消耗推进剂重量的比值。液氧/煤油比冲是3475m/s,四氧化二氮/偏二甲肼是3291,飞机上的喷气式发动机不需要带氧化剂,直接吸收空气中的氧气燃烧,更少的推进剂重量转换成更大的推力,比冲达到数万。推进剂还要求尽可能大的密度,这样能缩小火箭体积。液氧/煤油的密度是每立方厘米1.036克,四氧化二氮/偏二甲肼是1.189。还要求低腐蚀性、低毒性、使用方便、价格低廉,推进剂燃烧温度低一些。从性能指标来看,这两种推进剂各有优劣,两种推进剂都被各国航天广泛使用,视实际情况选定推进剂种类。

世界上最一枚现代火箭使用的推进剂就是液氧煤油。中国发展液体火箭之初,就对各种推进剂进行过试验研究,其中包括液氧煤油。1958年,中国开始自行研制导弹,第一种型号是东风一号弹道导弹(与后来的东风一号不同),推进剂就在液氧/煤油和四氧化二氮/偏二甲肼之间选择。北京航空学院设计北航八号中程弹道导弹的时候,试制了3台发动,使用液氧煤油,试验发动机的最大推力是15吨。研制东风五号洲际弹道导弹的时候,需要使用新型推进剂,必须在液氧/煤油和四氧化二氮/偏二甲肼之间作出一个了断。

偏二甲肼燃烧剂是著名的奥托金克高能炸药,区别在于炸药形态一般是固体形态,而偏二甲肼是液体形态,奥托金克也是一些先进固体推进剂的主要成分。四氧化二氮氧化剂是一种硝酸,硝酸属硝基氧化剂,固体推进剂主要成分就是硝基氧化物,是硝酸的反应生成物。浓硝酸挥发产生红色浓烟,又叫红烟硝酸,具有强烈腐蚀性,红烟剧毒。红烟硝酸有多种规格,主要成分都是四氧化二氮,现在长征火箭都使用四氧化二氮。两者燃烧生成无色的二氧化碳、水和氧气等,实际上不可能100%完全燃烧,与空气发生氧化作用,生成红烟。长征火箭发射时是偏红色烟雾黄色火焰,升空以后随着空气越来越稀薄,烟雾越来越少,主要是黄色火焰。

东风五号论证时,可以使用已有的发动机更换液氧/煤油推进剂试车,缩短研制时间。但是液氧沸点是零下183度,不可储存,导弹作战使用不方便。红烟对人体损害很大,环境污染较严重。偏二甲肼价格高、性能低、毒性较大,但是能够自燃,常温能长期储存。液氧/偏二甲肼能量高,但是高空点火困难,试验以后放弃了。选择混肼50与偏二甲肼对比试验,无水肼容易爆炸,偏二甲肼全面胜出。正在山穷水尽疑无路的时候,科研人员攻克难关,采取一定防护措施,偏二甲肼毒性和腐蚀性的困难可以克服,迎来柳暗花明又一春,这一春的时间有些太漫长了。长征二号等以后发展的系列火箭都是在东风五号导弹基础上研制的,推进剂沿用至今。偏二甲肼十分危险,美国70年代禁止本土生产,阿里安火箭使用的偏二甲肼则从苏联购买,且只在库鲁航天发射中心发射。苏联解体以前,已经下令禁止使用偏二甲肼。从安全角度、环境保护角度、推高火箭性能等诸多角度考虑,偏二甲肼都应该尽快放弃使用。

液氧/煤油价格只有四氧化二氮/偏二甲肼百分之几,非常便宜。密度比冲高,稍作改进可作上面级发动机。但是煤油推进剂难以作为冷却剂,开放式循环发动机难以使用,而且还有燃烧不稳定等严重问题。苏联采用高压补燃循环系统和先进的冷却措施,巧妙的解决了问题,美国和中国都向俄罗斯购买过液氧煤油发动机技术。中国70年代也研究过相关技术,东风七号洲际导弹希望通过声腔技术抑制发动机不稳定燃烧情况,东风六号洲际导弹第三级使用高压补燃发动机,因导弹性能指标脱离实际,无奈下马。两弹一星元勋任新民为高压补燃发动机没能继续研制深为惋惜。

选择四氧化二氮/偏二甲肼推进剂经过的严密论证研究,是当时的最佳选择,目前中国在火箭发动机技术上积累了相当多的经验,长征2F换用液氧/煤油推进剂时机已经成熟。液氧/煤油火箭发射没有烟雾,在观赏性上比长征2F大打折扣,这大约是煤油发动机目前最大的缺陷。

长征七号在载人航天后续任务中发射货运飞船和载人飞船,因而分为两种技术状态。因没有更多资料披露,使用火箭论证期间的技术资料。长征七号无人状态总长约52米,起飞重量约579吨,近地轨道运载能力13吨。载人状态总长约57米,起飞重量约582吨,近地轨道运载能力12.5吨。一级直径3.35米,捆绑4个2.25米助推器。使用航天科技六院研制的YF-100型发动机,采用先进的补燃循环系统和自身启动方式,可以为氧化剂贮箱增压提供热氧气,为伺服机构提供高压煤油作为动力源。使用YF-100发动机表明这个型号从长征五号系列火箭中独立出来,目前长征五号系列只有大5米直径的大载重量火箭。

长征五号按模块化、系列化原则设计,拥有5米、3.35米、2.25米三种箭体直径,其中3.35米模块构成的中型火箭应该都在长征七号系列中。3.35米模块长度26.3米,所以长征七号基本型是两级火箭,直径都是3.35米。基本型捆绑4个2.25米助推器用于发射飞船等,增加液氧/液氢第三级,构成最大型,可以完全取代长征三号,用于发射地球同步轨道卫星。长征七号同时拥有长征五号的各种先进设计,如电气系统一体化设计及冗余技术等。

长征2F火箭可靠性97%,航天员安全性99.7%,长征七号载人火箭全面使用先进设计制造技术,有望在此水平上有所提高。

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[责任编辑:dingliang]
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