[科普中国]-新火箭使用全新发动机，每次发射至少可节省上千万元

6月22日上午长征七号火箭活动发射平台驶出垂直总装厂房，经过3个小时的转运抵达发射塔架，火箭首次发射在即。载人航天工程办公室发布消息，长征七号火箭将在6月25日至29日间择机发射，执行首次飞行试验任务。火箭新在何处长征七号火箭是一种典型的中型运载火箭，属于我国研制的新一代运载火箭家族的一员，主要用于发射货运飞船。长征七号火箭的新体现在多个方面，它使用了全新的全数字化研制手段，使用了新的发射系统和全新的动力系统。我国新一代运载火箭中开始使用数字化研制手段，但作为顶梁柱的长征五号毕竟立项太早地位太重要，研制上不好一步到位进行全数字化设计生产，倒是立项较晚的长征七号火箭因祸得福，成为我国首枚使用全数字化设计生产的运载火箭。长征七号火箭打通了从设计到制造的全三维数字化流程，使用无纸化的三维全数字化设计、仿真、试验和生产能力，这可以在设计阶段通过数字化仿真提前发现大量协调匹配问题，大大加快研制进度。长征七号火箭走完了全数字化研制流程，也为后续型号推广使用全数字化研制生产积累了经验，建立了标准和规范，有力推动了我国运载火箭研制水平的提高。长征七号火箭还使用了先进的三垂发射方式，所谓三垂就是说垂直组装、垂直测试和垂直转运。火箭当然是垂直发射的，那么垂直状态下的火箭与发射时的状态更为一致，而水平组装或测试后必然会有一个起竖的动作，火箭的状态在起竖时可能发生一定的变化，那么原来的测试结果也就不太准了，这个隐忧会影响到火箭发射的成功率，反过来说三垂模式发射的火箭也就有了更高的固有可靠性。长征二号F火箭是我国第一种使用三垂模式的火箭，长征七号火箭是我国第二种使用三垂模式的火箭，并进一步有所创新，它的测试设备并没有像长征二号F火箭那样放在技术测试区或是发射区，而是在庞大的活动发射平台上，这样它只需要进行一次测试，缩短了发射准备时间。长征七号火箭早期曾被称为长征二号F/H（换）火箭，表示它是长征二号F火箭换发的产物。长征七号火箭的新，很大程度上来自于它的动力系统，也就是全新的火箭发动机。长征七号3.35米直径的第一级安装了两台先进的YF-100高压补燃循环液氧煤油发动机，四个助推器各自安装了一台YF-100发动机，而它的第二级火箭部分安装了四台YF-115高压补燃循环液氧煤油发动机。发动机的更换也是长征七号火箭上最重要的变化，粗看只是燃料的不同，但实际上效果却是革命性的。YF-100和YF-115发动机使用液氧煤油推进剂组合后，推进剂成本要远低于长征二号火箭火箭使用的四氧化二氮和偏二甲肼组合，每次发射仅仅是推进剂就可以节省上千万元人民币的费用，更重要的是，液氧煤油组合不仅燃烧产物只有水和二氧化碳，自身更是无毒无污染的环保推进剂，而偏二甲肼却是剧毒的，四氧化二氮也有强腐蚀性，液氧煤油环保推进剂的使用对发射基地人员的身体健康善莫大焉。YF-100和YF-115发动机当然不只是环保，它们还是高压补燃循环设计的液氧煤油发动机，高压补燃又称分级燃烧，就是预燃室里不充分燃烧的燃气排放到主燃烧室再次燃烧，从而避免了燃料的浪费，因此高压补燃循环发动机具有更高的比冲，YF-100和YF-115都比上一代发动机提高了10%左右。比冲可以等效为火箭发动机的喷流速度，根据齐奥尔科夫斯基公式，高比冲发动机显著提高了火箭的运载系数。YF-100发动机的推力也比老式发动机提高了60%左右，从而使长征七号火箭的起飞推力有了不小的提高，最终反应在运载能力上同样有了巨大的提升。新火箭的对比长征七号火箭外形和长征二号F火箭大同小异，但由于助推器推力增加长度也大幅加长，整体外观更为协调美观。法国著名设计师达索说漂亮的飞机一定是好飞机，我觉得对于火箭同样成立。更漂亮的长征七号火箭拥有更好的性能，它实现了我国运载火箭运载能力的新跨越，并且具有不错的技术水平。长征七号火箭长度约53米，起飞质量约600吨，起飞推力约720吨，长征七号火箭整体推重比约1.2，几乎把火箭设计的运载能力潜力压榨到极限，这也确保了火箭的运力指标。早期报道它的近地轨道运载能力约为13.5吨，而近期的电视采访中设计人员更是提到运力实际上接近14吨。长征七号火箭的运载能力从长征二号F的约8.4吨提升到约13.5吨，运力增加了60%以上，足以满足发射天舟货运飞船的要求，与此同时受益于高比冲的YF-100和YF-115发动机，长征七号火箭的运载系数也大有提高，即使以13.5吨运力计算也有2.25%，比是480吨起飞质量的长征二号F火箭高出约30%，也就是说长征七号火箭不仅身体沉力气大，而且运货效率更高，技术水平比长征二号F为代表的上一代运载火箭有了巨大的提高。对于典型的二级运载火箭来说，1.2的推重比是运载能力最大的取值，推重比再降低加速太慢重力做功多能量损耗大，运载能力反而下降，而推重比增加的话，虽然减少了重力损耗运载系数提高了，但起飞质量的降低也导致运载能力的下降，也就是说长征七号火箭其实是以运载系数的下降换取运载能力的提高。正因为如此，长征七号火箭的运载系数虽然纵向对比国内老式运载火箭提高很多，但横向对比国外主流运载火箭就要大为逊色了。不过话说回来，运载火箭关键要满足作为运输工具的价值，而不是盲目比拼运载系数等技术指标，美国猎鹰九号火箭的运载系数是很高，可是不乏用这个近地轨道运力十几吨的火箭打几吨甚至半吨重卫星的发射，而长征七号设计上用于发射天舟飞船，目前的运载能力物尽其用，火箭论证上显然更为合理。新火箭的作用如果一切顺利的话，6月25日长征七号火箭将进行首次发射，它将使用远征一号上面级发射新一代多用途飞船的缩比返回舱，还将把多颗微小卫星送入轨道。根据载人航天工程的计划，明年还将使用长征七号火箭发射天舟一号货运飞船，进行推进剂补给等重要试验。众所周知，中国载人航天工程使用神舟系列载人飞船，但神舟飞船性能有限，无法满足载人登月等深空探测任务的需求，同时美俄等国竞相展开了新一代载人飞船的研制，我国跟踪新一代飞船的技术趋势，提出了多用途载人飞船的设想，长征七号的首次发射就将发射未来多用途飞船的缩比返回舱，为多用途飞船的研制奠定基础，未来中国的“猎户座”或是“龙”式飞船，距离我们不会太远了。长征七号火箭的主要任务是发射天舟系列货运飞船，承担起为中国国家空间站提供货运补给的任务，这也是它的整流罩上绘有中国载人航天工程标志的根本原因，未来它将成为中国空间站的马牛流马，是建设和运营空间站的主力军。长征七号火箭本次发射搭载了多颗微小卫星，这并非首飞的特例，从国际空间站货运飞船的运营看，未来货运飞船常态化发射后，不出意外长征七号火箭的搭载发射也会成为我国发射微小和微纳卫星的主要手段，这对扶植我国商业微小卫星产业的发展具有很大的促进作用。作者：《环球科学》特约撰稿人张雪松转载请注明来自“科普中国”。