长征七号A首飞:旧瓶装新酒,同步轨道走

  出品:科普中国

  制作:长征⑨号团队

  监制:中国科学院计算机网络信息中心

  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》(http://www.kepu.net.cn/ydrhcz/ydrhcz_zpzs/ydrh_2016/201606/t20160625_471318.html)一文中,笔者就提到,长征七号具有将载荷送入地球同步转移轨道(GTO)的能力。历经四年多,长征七号A型千呼万唤始出来。

  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。

  

  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。

  

  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,去年年底使用液氢液氧燃料的“长征五号”复飞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。

  

  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”已经逼近5吨,接近了“长征三号乙”的运力上限,同时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。

  

  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!不多不少,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。

  

  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,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”目前可以认为是基于“长征七号”基本型的改进版,利用了大量成熟的技术与成果。例如,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。未来在应用了YF-100K泵后摆式发动机、YF-100M高空版发动机、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。在前期披露的“长征八号”系列运载火箭中,“长征八号”火箭的垂直回收版本也是助推器不分离的,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为一个,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”将完成其历史使命,接棒给新一代的运载火箭。

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