长征7号火箭将与美猎鹰9一战

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长征7号火箭将与美猎鹰9一战

长征2F和长征7号火箭模型

长征五号的不足

长征7号火箭将与美猎鹰9一战

长征5号的早期构型

2006年我国新一代运载火箭长征五号/CZ-5运载火箭正式立项,根据当时火箭总设计师李东的论文,长征七号/CZ-7运载火箭以新一代的YF-77氢氧发动机和YF-100液氧煤油发动机为核心,把我国运载火箭的运载能力从LEO轨道运力约10吨提高到25吨,GTO轨道运力也将从5.5吨提高到14吨,同时它还将通过5米直径氢氧芯级和3.35米、2.25米直径液氧煤油助推器的灵活组合,覆盖LEO轨道运载能力10~25吨,GTO轨道运载能力6~14吨的范围,满足我国航天未来20~30年的发展需求。

CZ-5运载火箭的研制,标志着我国运载火箭在技术和性能指标上实现巨大的进步,但由于使用氢氧发动机等原因,CZ-5火箭的发射成本居高不下。虽然当初规划的CZ-5A和CZ-5C型号LEO轨道运力分别为18吨和10吨,而CZ-5D和CZ-5F型号的GTO轨道运力分别为10吨和6吨,从设计上填补中间运载能力的空白,但目前公开报道中只提到CZ-5(原CZ-5E)和CZ-5B两型火箭。不出意外的话,由于费效比不高等因素,CZ-5A、C、D和F等使用2.25米液氧煤油助推器的型号都不会有亮相的机会,CZ-5系列火箭将只剩下LEO轨道运力25吨的CZ-5B两型火箭和GTO轨道运力14吨的CZ-5火箭,它们在发射20吨级的空间站舱段,发射“嫦娥五号”大型月球取样返回探测器,一箭双星发射大型通信卫星等场合具有无可替代的作用。不过这样一来,10~20吨的LEO轨道载荷和6吨以上的GTO轨道载荷的发射将出现空白,填补这个空白的,就是中国运载火箭研究院研制的新一代中型运载火箭CZ-7。

CZ-7的由来

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运力过大的长征5号

为了实现运载火箭性能的跨越,CZ-5运载火箭使用的几乎都是全新的技术和设计,而CZ-7火箭则截然不同,它几乎就是现有CZ-2F火箭的升级。中国载人航天工程网2008年发布的内容,在介绍我国载人航天工程系统的运载火箭系统部分时,除了多篇文章着重介绍CZ-2F火箭外,也有篇文章简述了新一代运载火箭,文中特意提到了CZ-2F/H火箭,CZ-2F/H火箭这个名字是CZ-2F/换(Huan)的缩写,主要用于在载人航天工程后续任务中完成发射货运飞船的任务。

根据中国载人航天工程网文章的介绍,CZ-2F/H火箭是我国新一代运载火箭3.35米构型的一种方案,它是一种带助推的二级火箭,动力系统使用无毒无污染的液氧煤油推进剂,同时电气系统和地面测控发射系统使用一体化设计,提高了我国运载火箭的技术水平。CZ-2F/H火箭分载人和无人两种状态,无人状态火箭全长约52米,起飞质量579吨,LEO轨道运载能力将达到13吨;载人状态火箭全长增加到约57米,起飞质量582吨,LEO轨道运载能力为12.5吨。两种状态的火箭均使用3.35米芯级并捆绑4个2.25米助推器,芯级和助推器都将使用YF-100液氧煤油发动机,据推测火箭高度的不同很可能是载人状态安装了逃逸塔的结果。

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新一代火箭早期构型

虽然载人航天工程网没有对CZ-2F/H火箭进行进一步介绍,但根据以上文字推测,所谓CZ-2F/H火箭,就是CZ-2F火箭换装YF-100液氧煤油发动机的产物。结合早期新一代运载火箭3.35米构型的研讨,CZ-2F/H火箭的3.35米芯级将使用2台YF-100发动机,2.25米助推器将使用1台YF-100发动机,第二级发动机可能是高空版YF-100发动机或是多台15吨推力的液氧煤油发动机。CZ-2F/H火箭起飞推力约720吨,起飞推重比1.24左右,通过高比冲的液氧煤油发动机的使用,运载系数略高于现有的CZ-2F火箭,主要用于发射13吨级的货运飞船,也可能用于发射改进后的神舟飞船或是新研制的大型载人飞船。

CZ-2F/H火箭并不是官方授予的正式编号,2009年的新闻报道曾指出暂定CZ-2F/H的火箭已经改名为暂定CZ-7,而2010年两会期间中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹接受记者采访时表示,我国已经正式立项新一代中型运载火箭CZ-7,它将在我国航天的功勋火箭CZ-2F的基础上进行研制。结合更早的消息,所谓的CZ-7火箭就是CZ-2F/H火箭。根据外电2010年的报道,CZ-7火箭将使用18吨级的上面级发动机,结合后续报道,CZ-7火箭第二级使用的就是真空推力18吨级的YF-115液氧煤油发动机,当时笔者推测第二级很可能是2台或4台YF-115发动机并联,从而实现13吨级的LEO轨道运力。

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2012年YF-100火箭发动机点火测试

CZ-7火箭在CZ-2F火箭的基础上研制,填补了我国新一代中型运载火箭的空白。根据目前的发射需求预测,未来我国除了发展20吨级空间站舱段等特殊需求,以及1吨以内的小型卫星外,大量载荷将处于中等运力区间,包括东方红三号和东方红三号B、东方红四号和东方红四号E、东方红五号等通信卫星平台,以及以资源和风云卫星为代表的大型遥感卫星平台,还有大型低轨道和高轨道遥感卫星平台等,此外随着我国载人航天工程的发展,还要发射大型货运飞船进行补给。按照不完全统计,我国2020年前需要发射的卫星中1吨以下的卫星占45%,1~4吨的卫星占30%,5吨以上的占25%,其中LEO和SSO轨道的卫星主要是4吨以内的遥感卫星,更重的航天器就是神舟载人飞船和天舟货运飞船,而GEO轨道的卫星1~4吨和5吨以上的基本相当,不过随着早期东方红三号卫星平台的淡出,GEO轨道卫星将更多的以大质量的东方红四号和五号为主。从发射需求预测看,CZ-7火箭将是用途最广泛使用最频繁的火箭。

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YF-75火箭发动机

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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