中國長征七號運載火箭的傳奇

引言

我國新一代中型運載火箭長征七號火箭將於2016年6月底首次發射升空，它作為載人航天工程的一部分，主要用於發射天舟系列貨運飛船，未來還可能用於發射新一代載人飛船。我國還將在長征七號基礎上研製長征八號運載火箭，共同組成完整的中型運載火箭家族。

從長征二號F/H到長征七號

我國新一代運載火箭的研製體現了通用化、系列化和組合化的設計思想，以及一個系列、兩種發動機、三個模塊的總體發展思路。簡單地說，就是新一代火箭系列包含多種不同構型，它們使用50噸級YF-77氫氧發動機和120噸級YF-100液氧煤油發動機，由5米、3.35米和2.25米直徑液體推進模塊組成。

長征七號火箭最早源自長征二號F火箭換髮的設想，它將接替上圖的長征二號F發射載人和貨運飛船鮮為人知的長征二號F/H計劃

長征七號火箭原來的項目名稱是長征二號F/H（H，即換髮動機的意思），是新一代火箭3.35米直徑構型的一種，由中國航天科技集團運載火箭技術研究院研製。2009年中國載人航天工程網就公開了長征二號F/H火箭，所謂「換」，簡單的說就是在長征二號F火箭基礎上換裝新型液氧煤油發動機的產物。

長征二號F/H火箭構型與長征二號F都是3.35米直徑芯級上捆綁4個2.25米直徑助推器的設計，不過它的芯級以2台YF-100發動機替換了原有的4台YF-20發動機，4個助推器各以1台YF-100發動機替換了原有的單台YF-20發動機，起飛總推力提高了20%左右。由於液氧煤油推進劑密度比原來的偏二甲肼/四氧化二氮推進劑略低，長征二號F/H火箭的助推器長度明顯加長，外形看起來也更加協調。至於火箭第二級，長征二號F/H火箭以四台18噸推力的YF-115液氧煤油發動機取代了原來的單台YF-22型發動機、以及4台小型遊動發動機，推力大致相當，但發動機比沖更高。簡而言之，長征二號F/H火箭提高了起飛推力，從而為提高運載能力奠定了基礎；此外整個動力系統比過去更簡練，以液氧煤油為燃料也擺脫了「毒火箭」帽子。

按照載人航天工程網的介紹，長征二號F/H火箭原計划起飛推力720噸，分為載人和無人兩個版本，前者起飛質量582噸，近地軌道最大運載能力為12.5噸，後者起飛質量579噸，近地軌道最大運載能力為13噸，用於發射貨運飛船。

上圖中展示了長征七號火箭的四發第二級、雙發芯級和單發助推器長征七號將是我國未來主力中型運載火箭

2011年1月長征七號火箭正式立項，根據發射貨運飛船需求的變化，長征七號火箭的運載能力指標比早期的長征二號F/H計劃有所提高。長征七號火箭全箭長度約53.1米，起飛質量增加到594噸，近地軌道運載能力提高到13.5噸，700千米高度太陽同步軌道運力為5.5噸，它主要用於發射未來載人空間站工程的天舟系列貨運飛船。而長征七號火箭首次發射的主載荷是新一代載人飛船縮比返回艙，預料未來長征七號火箭多次發射貨運飛船、狀態成熟後，也會用於發射神舟之後的新一代載人飛船。

合練中的長征七號火箭，按計劃6月底第一枚長征七號火箭將從文昌發射升空

根據火箭總師範瑞祥的論文，長征七號火箭還計劃衍生出擁有氫氧第三級型號用於發射靜止軌道通信衛星，這種名為長征七號734的火箭將具有約7噸的同步轉移軌道運載能力，比我國現有同步轉移軌道運力最大的長征三號乙火箭的5.5噸提高了27%，足以發射全部的東方紅三號、四號平台衛星以及部分東方紅五號平台衛星，還將用於發射小型深空探測器等任務，長征七號火箭將是我國未來中型運載火箭的主力。

長征七號火箭還可以選配備遠征系列常規上面級，據稱長征七號的首次發射就將使用遠征一號上面級，這使長征七號可以靈活執行多種發射任務，尤其是向近地軌道和太陽同步軌道釋放多顆衛星的任務。

遠征一號上面級曾用於發射北斗衛星，長征七號首次發射中同樣會使用遠征一號

長征七號使用的液氧煤油發動機性能如何？中國火箭終於擺脫「毒火箭」帽子

從早期長征二號F/H這個名字出發，長征七號最明顯的提高就是它的新一代火箭發動機了。長征七號火箭使用了YF-100和YF-115兩種液氧煤油發動機，如果加上遠征上面級的話，還有我國推力最小的泵壓式發動機。

長征七號的主發動機為YF-100液氧煤油發動機，YF-100是中國航天科技集團航天動力研究院研製的新一代液體火箭發動機，它的質量約為1.9噸，地面推力約120噸，真空推力可達136噸，比現役長征二號、三號和四號上YF-20發動機的75噸推力有了顯著提高。YF-100發動機使用液氧煤油推進劑，相比YF-20發動機的偏二甲肼/四氧化二氮推進劑具有無毒無污染的優勢，可以說是一種更環保的火箭發動機。

長征七號火箭3.35米直徑芯級使用雙發YF-100發動機，圖為試車中的芯級發動機

長征五號、六號和七號都以YF-100高壓補燃液氧煤油發動機作為主發動機

YF-100發動機最大的特色還是它使用了高壓補燃循環方式，它的地面比沖約300秒，真空比沖約335秒，比傳統的燃氣發生器循環液氧煤油發動機提高了約10%。所謂比沖，我們可以形象的將其理解為耗油率，比沖越高發動機就可以在相同推力下工作更久，根據動量公式，發動機比沖越高相同質量的推進劑就可以提供更多的動量或衝量，讓火箭飛得更快。根據齊奧爾科夫斯基公式，比沖提高可以讓火箭運力指數級的提高，火箭發動機高比沖對提高火箭運載能力的效果十分突出。

高壓補燃循環為什麼能提高火箭發動機的效率呢？這裡「補燃」是指火箭燃料全部先在燃氣發生器進行「富燃」（燃料過剩、未完全），驅動渦輪泵，然後再進入燃燒室完全燃燒。傳統的液體火箭發動機則是使用部分燃料在燃氣發生器「富燃」驅動渦輪，之後這部分帶有未經完全燃燒燃料的燃氣直接排放到外界，浪費了部分推進劑，降低了發動機的比沖。

分級燃燒循環的富燃（fuel-rich）燃氣推動渦輪後，全部進入燃燒室（chamber）二次燃燒

另一方面，「高壓」是說發動機燃燒室的壓強高，壓強越高、燃燒效率就越高，進而提高發動機比沖，YF-100發動機燃燒室壓強就高達180個大氣壓。而對於燃氣發生器循環的普通發動機來說，如前所述其燃氣發生器中的富燃燃氣驅動渦輪泵後、直排到箭外，若增加燃燒室壓強會浪費更多的燃料，到一定程度就得不償失了，這也限制了它性能的提高。

簡而言之，高壓補燃循環的液體火箭發動機容易做到更高的室壓提高發動機比沖，而即使燃燒室壓強相同，由於燃氣發生器循環會浪費部分推進劑，它的比沖仍要低於補燃循環發動機。高壓補燃循環發動機比沖高，但代價也不小，它需要更重和更複雜的渦輪、泵和管路系統，難度更高的閥門和密封，結構設計上是所有循環方式中最重和最複雜的，發動機研製成本也比燃氣發生器循環的發動機貴得多，但這種付出是值得的。

長征七號火箭第二級使用的YF-115液氧煤油發動機也使用了高壓補燃循環方式，它的燃燒室壓強略低但也高達120個大氣壓，發動機推力約18噸，真空比沖約342秒。YF-115發動機推力不大，但比衝要比老式YF-22發動機的290秒提高了18%之多，長征七號火箭運力的提高，YF-115發動機同樣有很大的功勞。

高壓補燃液氧煤油發動機中液氧（LOX）全部注入預燃室，高壓富氧燃氣對密封和抗氧化要求很高

長征七號第二級將使用四台YF-115高壓補燃液氧煤油發動機

長征七號火箭的全球對手們

長征二號F/H火箭是早期的設想，目標是最短的時間內滿足載人航天工程發射貨運飛船的需求。2011年正式立項後，據悉長征七號火箭使用了全新的遙測系統和導航制導控制系統，電氣系統一體化設計及冗餘等一系列先進技術，不僅如此，它還是我國第一種全數字化設計的運載火箭，從設計、試驗、製造和管理全程都實現了數字化，大大減少了設計更改返工並縮短了研製周期，這比簡單的提高運力具有更大的價值。對比長征二號F火箭，新一代的長征七號火箭運載能力從長征二號F火箭的8.5噸增加到13.5噸，足以發射質量更大的天舟貨運飛船。

而放眼全球，同樣用於載人航天工程發射的運載火箭有美國太空探索技術（SpaceX）公司的獵鷹9火箭、俄羅斯聯盟火箭、歐洲阿里安5ES和日本H-IIB火箭。

其中美國太空探索技術（SpaceX）公司的獵鷹九號火箭最為知名，它是一款主打經濟性的運載火箭。獵鷹九號火箭的梅林1D+發動機推力已經增加到單發地面推力845千牛，真空推力922千牛，推重比更是高達約180左右，加上火箭本身使用半氣球鋁鋰合金儲箱等先進技術結構質量很輕，雖然梅林1D+作為典型的燃氣發生器循環發動機比沖較低，但火箭性能仍然極為出色，發射質量544噸的火箭近地軌道運載能力已經提高到22.8噸，而發射價格也僅有6200萬美元。由於火箭整體設計製造水平的落後，長征七號火箭即使使用了高比沖的高壓補燃循環液氧煤油發動機，但運載能力和運載係數反而都比獵鷹九號低得多。而且獵鷹九號還在積極探索一級火箭回收技術，在性價比方面一騎絕塵。

獵鷹九號火箭總體水平很高，以燃氣發射器循環的梅林1D發動機做到了很強的性能

俄羅斯使用聯盟系列火箭發射聯盟號載人飛船和進步號貨運飛船，聯盟系列火箭是從最早的R-7洲際導彈發展而來的設計，目前仍然使用20世紀50年代初水平的RD-107、RD-108和RD-110液氧煤油發動機，但無論是推力、比沖、推重比還是工藝材料都遠遜於獵鷹九號火箭的梅林1D+發動機。RD-107等發動機甚至不是典型的燃氣發生器循環，它使用過氧化氫催化分解為燃氣發生器提供燃氣，和V-2火箭如出一轍，為了解決穩定燃燒的問題，一台100噸級的發動機尚且分為4個燃燒室。聯盟系列火箭發動機水平很低，但得益於較高的總體設計水平，近地軌道運力達到了7噸以上，足以滿足發射聯盟和進步飛船的需求，不過它只能說和長征二號F火箭性能相仿，無論是運載能力還是技術水平都遠低於長征七號火箭。

俄羅斯也在發展安加拉5P運載火箭用於發射下一代重達20噸的「聯邦」載人飛船，不過由於各種原因，安加拉5P火箭至今仍難產，此處不展開討論。

聯盟火箭已經擁有近60年的歷史，動力系統的技術水平尤其落後，但勝在廉價可靠

俄羅斯未來將使用新一代的安加拉5號火箭發射「聯邦」（PTK）載人飛船

除了中美俄，歐洲和日本也分別使用阿里安5ES和H-IIB火箭發射自己的ATV和HTV貨運飛船，其中阿里安5ES火箭已經退役，H-IIB火箭仍在繼續使用。阿里安5ES是一種近地軌道運載能力20噸的大型火箭，而H-IIB的運載能力也高達16.5噸，它們都是在已有大型運載火箭基礎上衍生的專門發射大型貨運飛船的型號。阿里安5ES使用火神2氫氧發動機和大型固體助推器，上面級使用具備多次啟動能力的Aestus常規發動機，是一款技術選擇比聯盟、長征七號、獵鷹九號都要高端的運載火箭，隨之而來的當然是昂貴的價格。這也是阿里安5ES在發射5艘ATV貨運飛船後，即被退役的原因。

日本H-IIB火箭則是更高端的設計，它使用兩台分級燃燒循環的LE-7A氫氧發動機，捆綁4台SRB-A固體火箭助推器，上面級使用LE-5B氫氧發動機，近地軌道運載能力19噸，可將最重16.5噸的HTV飛船送入200千米X400千米的國際空間站轉移軌道。H-IIB火箭無論運載能力、還是技術水平都比長征七號強得多，但它只有發射HTV飛船一個用途，而且價格過於昂貴，日本不得不研製質量更輕的HTV飛船，未來使用H-IIA火箭發射。從這個角度上看，無論是價格還是定位，阿里安5ES和H-IIB都很難說比長征七號火箭成功。

發射ATV貨運飛船的阿里安5號火箭技術和性能都很出色

H-IIB火箭使用雙發LE-7A氫氧發動機，用途單一價格又過於昂貴

結語

一句話總結，長征七號是一款定位與美國SpaceX公司獵鷹九號類似，同樣走廉價、可靠路線的載人運載火箭，我們期待它首次發射取得成功。