长征7号火箭将与美猎鹰9一战

CZ-7的设计方案

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长征7号的助推器

CZ-2F/H火箭的设计成为CZ-7火箭的基本型方案,但这个方案虽然很好的满足了发射天舟货运飞船的需求,但二级火箭设计显然无法满足发射大型通信卫星的需要,而对发射中小型遥感卫星它的运力又明显过剩。根据范瑞祥总师的论文,为了满足未来不同任务不同载荷的发射需求,CZ-7火箭通过调整助推器和上面级的系列化发展思路,将发展出一个兼顾运载能力梯度和发射成本的运载火箭家族。

CZ-7火箭家族的核心是3.35米直径的液氧煤油发动机芯级,其它部分根据构型不同有很大差别。按照范瑞祥总师的介绍,可以将CZ-7火箭构型用CZ-7XYZ的格式命名,其中X表示火箭级数,Y表示助推器个数,Z表示助推器类型,由于CZ-7默认使用液体助推器,助推器类型只使用S标示固体助推器。CZ-7的命名规则中对默认的液氧煤油发动机芯二级不做特别标明,但使用(HO)标示芯二级使用氢氧发动机的型号,为了区分使用上面级的型号,还增加了/SM加以区分。

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长征7号二子级的四发并联YF-115试车

CZ-7火箭的设计方案中,所有的CZ-7火箭构型都将使用3.35米直径的液氧煤油芯级,芯级使用两台YF-100液氧煤油发动机,发动机双摆控制;所有的液体助推器均为2.25米直径,使用单台YF-100液氧煤油发动机,发动机单摆控制;根据运载能力的不同,芯二级使用2台或4台YF-115液氧煤油发动机,发动机两机双摆加两机固定;根据芯二级推进剂和发动机类型的不同,(HO)型号将使用两台YF-75液氧液氢发动机,发动机双摆控制; CZ-7火箭的第三级均使用两台YF-75液氧液氢发动机,发动机双摆控制;为了增强发射SSO轨道的能力,CZ-7火箭还可能增加使用单台YF-50发动机的上面级。根据火箭级数、助推器类型和个数、芯二级类型和是否使用上面级等不同,CZ-7中型运载火箭可以划分出大量构型,不过从满足实际发射需求出发,只有部分典型构型可以通过论证,而实际研制的构型只会更少,集中用于空间站任务和通信卫星发射任务。

为了进一步确定火箭各个构型的优劣,CZ-7火箭的运载能力也做了专门的定义。CZ-7系列火箭的LEO轨道运载能力是指轨道倾角42度、近地点200千米、远地点400千米的椭圆LEO轨道上的运载能力,它的SSO轨道运载能力是指700千米高度的圆形SSO轨道的运载能力,它的GTO轨道运载能力是需要1800米/秒的速度增量进入地球静止轨道(GSO)的标准GTO轨道的运载能力。

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长征7号一子级储箱

CZ-7火箭的构型中,以CZ-2F为基础,曾暂时命名为CZ-2F/H的CZ-724型号是火箭的基本构型。依照命名规则,我们很容易判断出CZ-7火箭的基本型是一种使用4个液体助推器的二级火箭,根据其他报道和论文,基本型号CZ-724火箭芯一级长度25.083米,使用两台YF-100液氧煤油发动机,第二级将使用4台YF-115液氧煤油发动机。CZ-724火箭的总长度约为53.1米,长径比达到了15.85,它的起飞质量约为594吨,起飞推力7200千牛,推重比约为1.237。CZ-724型火箭的LEO轨道运载能力为13.5吨,将主要用于发射天舟货运飞船,不过用于发射SSO轨道载荷时,CZ-724型火箭的运载能力也有5.5吨之多,足以发射绝大多数遥感卫星。部分爱好者曾对CZ-7火箭使用高压补燃循环的液氧煤油发动机,但有效载荷系数不高略有微词,不过根据其他来源的信息推断,天舟货运飞船上行货物运输能力6.5吨,货运载荷比46%,那么天舟货运飞船的质量将达到14.13吨之多,CZ-724型火箭的实际LEO轨道运载能力肯定要超过14.2吨,公开声明的13.5吨运载能力留有很大的余量。再考虑CZ-7火箭的LEO轨道并非标准200千米高度圆轨道,换算到标准200千米高度LEO圆轨道的运载能力可达15.8吨左右,运载系数约2.67%,在主流运载火箭中属于合理水平。

CZ-7火箭的另一个重点构型是CZ-734型号,根据命名规则,这是一种使用4个液体助推器的三级火箭,它的第二级也将使用4台YF-115液氧煤油发动机,第三级将使用两台YF-75液氧液氢发动机。不过根据CZ-2E和CZ-3B火箭的情况分析,虽然前两级发动机配置一样,但CZ-734型火箭的前两级储箱长度未必和CZ-724型火箭一样,这样虽然CZ-734型火箭的第三级长度可能达到10米甚至12米,但全箭长度不太可能是63或65米。即使如此,根据长度56.33米的CZ-3B火箭和长度49.7米的CZ-2E火箭的对比,CZ-734型火箭的长度恐怕也会达到60米甚至更长,火箭长径比接近或超过18,接近了著名“飞行铅笔”猎鹰九号V1.1火箭(长径比18.5)。巨大的长径比将对火箭的结构强度设计和飞行控制都提出了更高的要求,是CZ-7火箭研制使用中面临的一个重要挑战。

CZ-734型火箭的标准GTO轨道运载能力达到了7吨,这是精心选择的结果。我国现有CZ-3B/E火箭的GTO轨道运载能力只有5.5吨,由于潜力有限未来只能提高到6吨,算是勉强满足了发射5.5~6吨的东方红四号E卫星平台的需求,但下一代的东方红五号卫星平台将达到6.5~7吨,只能CZ-5火箭或是CZ-734型火箭发射。CZ-734型火箭的发射成本远低于CZ-5火箭,CZ-5火箭虽然理论上可以“一箭双星”降低发射成本,但发射风险大对发射档期要求高,在竞争上恐怕无法占上风。如果再加上CZ-3B/E火箭的逐渐淡出,CZ-734型火箭将是我国未来通信卫星发射的绝对主力,也将是未来深空探测发射的主力之一,具有广泛的应用前景。

除了传统的大型通信卫星发射和新兴的空间站发射任务,运载火箭研究院还希望CZ-7火箭竞争SSO轨道的发射任务。SSO轨道的载荷一般是中小型载荷,接近一半在1吨以下,其他的也都在1~4吨的范围内。由于基础设计的制约,CZ-7构型运载能力梯度不尽合理,但运载火箭研究院仍然另辟蹊径,提出了芯二级使用氢氧发动机的设计构型,用于执行SSO轨道发射任务,这就是CZ-720(HO)和CZ-722S(HO)型火箭。CZ-720(HO)型火箭SSO轨道运载能力2.9吨,可用于代替现有的CZ-4C火箭,CZ-722S(HO)型火箭通过捆绑两个2米直径助推器,SSO轨道运载能力提高到4.4吨,可用于发射未来的大型遥感卫星平台。前者的GTO轨道运载能力1.5吨,后者GTO轨道运载能力提高到2.4吨,还可用于发射未来的小型中轨道北斗卫星和2吨级全电推通信卫星平台,同样有光明的市场前景。

总结

CZ-7中型运载火箭以成熟可靠的CZ-2F火箭设计为基础,是我国正在研制的新一代运载火箭。从设计上说,CZ-7火箭将接替CZ-3B火箭成为我国发射大型通信卫星和深空探测器的主力,它还是空间站货运飞船发射的正选,在低轨道遥感卫星发射市场也将和其他型号的运载火箭进行激烈的竞争,最终可能执行我国70~80%的发射任务。目前CZ-7运载火箭的助推器和芯级都已经总装完毕,助推器还进行首次动力试车, 2014年CZ-7火箭将进行首次发射。CZ-7火箭家族构型设计和运载能力较为合理,将满足我国现有运载火箭更新换代和未来航天发射对中型运载火箭的需求。

文:Nemo

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