兩種發動機與六個構型，長征5大火箭為何這樣設計 l 深度好文

前文《第二篇》說過，中國的民用航天運載火箭最早是從液體推進的遠程彈道導彈脫胎而出的——說俗點兒，遠程彈道導彈穿上馬甲，就是長征系列早期型號。由於發射速度快、無需加註、點火簡單、保存時間長等軍事裝備亟需的各種優勢，後來中國的彈道導彈普遍向氧化劑-燃料合一的固體燃料方向發展。而運載火箭的液體燃料，仍然沿用早期彈道導彈的四氧化二氮/偏二甲肼，已經難以適應航天事業的後續發展，對新型液體火箭的需求日漸突出。

進入21世紀後，中國對新型液體火箭的設計方案、發展途徑、發射場等方面進行深入討論。2002年，根據863計劃火箭發動機和大型運載火箭專家組組長朱森元「模塊化研製、積木式發展」的建議，確定了「一個系列、兩種發動機、三個模塊」的總體發展思路以及」通用化、系列化、組合化」的設計思想。

上文中的「兩種發動機」：就是我們之前提到的地面推力50噸級（真空推力70噸級0YF-77氫氧發動機和地面推力120噸級（真空推力130噸）YF-100液氧/煤油發動機。前文談過，不再贅述。

下面，本篇就重點談談這個總體思路中的「一個系列」和「三個模塊」

一、一個系列：

意思是：近地軌道運力覆蓋1.5-25噸，地球同步轉移軌道運力覆蓋1.5-14噸的系列發射能力。

首先，稍微解釋一下這兩個詞：

近地軌道LEO：英文Low Earth orbit，一般指高度在2000千米以下的近圓形軌道。對地觀測的遙感衛星、載人空間站，大多都在這個軌道。

地球同步轉移軌道GTO：英文Geostationary Transfer orbit，一般指近地點在1000公里以下、遠地點約36000公里（即地球同步軌道高度）的橢圓軌道。風雲二號氣象衛星、北斗一代導航衛星、北斗二代中的5顆高軌道導航衛星、東方紅三號和四號通信衛星、天鏈中繼衛星都在這個軌道。

兵器迷個人覺得，「一個系列」這個名詞，似乎沒有切中要害。

有朋友瞪眼了：你算老幾啊，也敢對官方的戰略挑眼？

莫急莫急，待我慢慢道來：兵器迷這麼說，是因為，中國目前的長征系列火箭，也已經是一個相對完整的系列，包括：

長征系列火箭的四個子系列。

所以，現有長征系列火箭，通過四個子系列，已經實現了載荷由小到大，軌道由低到高的基本覆蓋。而中國航天在新世界再次提出「一個系列」的主要意義，其實在於提高航天發射的載荷質量，讓這個覆蓋更加全面。

舉個例子：

近地軌道LOO目前中國最大發射能力，是用於載人航天的長征二號F火箭，LEO發射質量為8.6-9噸。

地球同步轉移軌道GTO目前的最大發射能力，是用於發射靜止軌道通信衛星的長征三號乙/E（增強型）運載火箭，GTO發射質量為5.5-6噸。

這樣的發射能力，支持中國航天過去的近地航天和一般的無人深空探測需求問題不大，但對未來更高水平的發展以及形成了至少四個方面的嚴重製約。

-近地軌道載人空間站建設。

按照中國載人航天規劃，2020年前後實施的載人空間站(近地軌道LEO)。其核心艙，發射質量20-22噸。實驗艙Ⅰ和實驗艙Ⅱ，發射質量均約20-22噸。貨運飛船。最大直徑約3.35米，發射質量13噸。已經超出現有LEO8-9噸的運載能力。這也是為什麼，目前天宮一號實驗室的設計重量為8噸，就是卡著長2F的最大LEO能力量身定製的，否則完全可以做得更大。

-地球轉移軌道重型通信衛星

中國目前的東方紅四號通信衛星，發射重量為6噸，也是比著長征三號乙/E最大6噸的GTO發射能力設計的，目前尚可滿足需求。但是預計2018年首發的東方紅5號新型通信衛星，發射質量10噸，幾乎超過現有能力的一倍。

-遠離地球的深空探測

2016年1月11日，中國正式批複首次火星探測任務，中國火星探測任務正式立項，並將在2020年左右發射一顆火星探測衛星。火星距地球近距也有六七千萬公里，而類似或更遠的深空探測，必須讓探測器脫離地球引力，至少達到第二宇宙速度11.2公里/秒，才能確保探測器不奔向其他天體。而長三乙只能保證10.9公里/秒的速度。

-探/登月計劃

雖然目前的嫦娥登月計劃只有繞落回三個節點，都是無人飛行器，發射質量小一些。但月球採樣返回地球的嫦娥五號已經打算採用更大推力的液體發動機。

再多想一步，而如果未來中國想實現載人登月計劃，就更加需要高推力火箭發動機。我們可以比照一下美國阿波羅登月計劃的載人飛船載荷：

載人飛船總重量：50噸

指揮艙：6噸

服務艙：25噸

登月艙：14噸

可以看出，上述四個需求，以現有長征火箭的能力實在是望塵莫及。因此，中國航天提出的最大25噸LEO發射能力和14噸GTO發射能力如果實現，就可以順利解決載人空間站、新一代通信衛星、火星無人探測（還包括木星探測）這前三個2020年前的急迫需求，以及第四個需求中嫦娥五號的發射。由於這些都是已經明確立項的需求，因此規劃的發射能力完全是紮實的配套而非激進的躍進。

最後，大推力火箭還能更好的支持一箭多星的發射，為降低系列通信、導航和對地對海觀測衛星組的發射成本大為有益。

有意思的是，上述四個需求，都要依靠長征5號運載火箭來完成。長征5號今年的首發，意義就在於此。這也是為什麼，兵器迷認為長5首發將是今年航天發射的一大看點。

當然，這樣的推力規劃，仍不能滿足載人登月的需求。不過這個尚未立項，所以沒有在本次規劃範圍內，亦屬正常。即便有了實際項目，遠期規劃中的長征9號（採用500噸級的液氧煤油發動機和200噸級的氫氧發動機），才是這個問題的答案。

二、三個模塊，包括：

中國航天規劃的總體思路認為，現有長征火箭系列不但運載能力低，芯級直徑偏小，而且型號偏多（參見上表1），型譜重疊，成本較高。因此，有必要進行標準化的模塊設計，通過模塊組合快速形成不同發射需求的火箭載具。最後形成的規劃就是以下三個模塊：

1 液氧/液氫的5米直徑模塊：比如：長征5號的芯一級5米直徑模塊，含2台YF-77氫氧發動機

2 液氧/煤油的3.35米直徑模塊：比如，長征5號的3.35米直徑助推器模塊，含2台YF-100發動機

3液氧/煤油的2.25米直徑模塊：比如，長征6號的2.25米直徑助推器模塊，含2台YF-115發動機

這其中，第一個5米直徑模塊，很值得注意。因為在以往的長征系列火箭中，一般芯級採用3.35米模塊，助推器或上面級採用2.25米模塊。唯有5米模塊是從未出現的新模塊。這是為什麼呢？

這個事情的根由，要從大約3000年前講起……

這位朋友倒了。3000年前，和航天發射有嘛關係啊？兵器迷這次不僅僅是話嘮，這是穿越的節奏啊。

呵呵，是這樣。大約3000年前的古羅馬人，使用兩匹馬拉的車。時間長了，車輪在石板路上磨出兩道溝。由於各種車輪寬窄不一樣，道路就被各種寬窄不同的溝嚴重損壞。後來人們自然就想把輪距統一起來，於是就把兩匹並排的馬屁股當成標準，即1.435米，這樣路上就形成統一的車溝了。再後來，英國人修鐵路時，也把鐵軌軌軌距定為1.435米，並被各國沿用，中國也不例外。那麼，按照這個軌距修建的鐵路，能夠運輸的貨物最寬為3.72米。去掉車廂外殼，只剩下3.35米。因此，用標準鐵路進行運輸的部件，最大直徑只能達到3.35米。

所以，半個多世紀來，中國火箭也只有最大3.35米的直徑，為的是方便鐵路運輸。

那位朋友問了，那為什麼還要5米直徑模塊呢？

還是需求牽引。比如中國載人空間站，貨運飛船。最大直徑約3.35米。但是核心艙全長約18.1米，最大直徑約4.2米，實驗艙全長均約14.4米，最大直徑也是4.2米。因此3.35米不夠用的。

此外，您注意到了嗎？上述三個模塊的示例中，2台50噸級的YF-77並聯，組成的模塊直徑5米（整流罩5.2米）。而2台120噸級的YF-100並聯，組成的模塊直徑3.35米。為什麼推力大一倍多的，反而直徑小呢？估計是因為YF-77氫氧發動機比較粗：比如推力室噴口面積，YF-100為1.406平米，而YF-77為1.446平米。因此YF-77氫氧發動機需要更大直徑的模塊，這也是5米米模塊的原因之一。

又有認真的朋友發現了一個問題：既然你說中國鐵路只能運輸3.35米寬的部件，5米直徑模塊就算做出來了，如何運輸呢？

對了，海運。中國在2009年建設海南發射場之前，就已經於2008年布局成立天津航天長征火箭製造有限公司，用於生產大型火箭部件，並通過天津港直運海南發射場。這樣不但打通了大直徑火箭部件運輸能力，也有效降低了運輸成本。2016年5月8日上午，中國衛星海上測控部所屬遠望21號從天津港裝船起航，經過6晝夜1670海哩的航行，長征7號首發運載火箭安全運抵海南文昌清瀾港。近日已經安全運輸至海南文昌航天發射場。與中國三個需要鐵路運輸的內陸發射場甘肅酒泉、山西太原、四川西昌3個航天發射場相比，海南文昌航天發射場除了具有緯度低、發射效率高、射向寬、落區安全性好的特點之外，大直徑部件海運便捷，也是獨特的發射優勢。未來5米直徑的模塊，也將採用這種運輸方式。

那麼，有了2.25米,3.35米和5米這三個模塊，又如何組合呢？

我們拿長征5號舉個例子，用上述三個模塊組合，以5米模塊（YF-77*2）作為芯一級和/或二級，以3.35米模塊（YF-100*2）和/或2.25米（YF-100*1）作為助推器模塊，就可以組合出6種火箭構型。其中的3種用於LEO近地軌道發射，發射質量分別為6噸，8噸和10噸。另外3種用於GTO地球同步轉移軌道發射，發射質量分別為8,10,12噸。見下表。

六種構型的火箭外觀示意圖

長征5號的六種構型火箭示意圖

其中，推力最大的B和E型為優先發展重點構型。這樣，長征5號的近地軌道LEO的25噸運載運力，將與同級的歐空局「阿里亞娜」5ES(21噸)、日本H-2A/B(19噸)和美國的「宇宙神」5（19噸）大體相當。

類似的，長征7號中型運載火箭，也可以通過模塊組合出不同的構型。其主要構型有3-4個，近地軌道LEO運載能力覆蓋5.5噸、7.5噸、13.5噸； 地球同步轉移軌道GTO運載能力覆蓋1.5噸、2.4噸、4.5噸、7.0噸。

而採用YF-100一級的長征6號運載火箭，目前可以達到700千米高度太陽同步軌道(SSO)0.5噸的運載能力，將是中國小型衛星發射的。

這樣，中國新一代液體火箭的系列已經水到渠成

中國新型液體火箭

注意上面的首發日期：

長征6號的成功發射，初步驗證了YF-100作為一級動力和小型新箭的設計和性能（另有1*YF-115二級動力和4*YF-85三級動力）。

第二個發射的長征7號，將驗證2台YF-100作為芯一級和4台YF-100作為助推器動力，即6台YF100聯合工作和中型新箭的設計和性能（另有4*YF-115二級動力）。

第三個發射的長征5號，將驗2台YF-77作為芯一級、8台YF-100作為助推器動力，即2台YF-77 8台YF-100聯合工作的設計和性能(另有*YF-75D作為2級動力)

對這第三次發射，兵器迷個人認為，YF-77的首發似乎應當採用更穩妥一點的方案。第一次就與YF-100乃至長5綁在一起，跨越稍大。而且YF-77的研製並非順利，如果能用YF-77的5米芯級 2.25米YF-115二級單獨發射一次，主要用於驗證YF-77，然後再髮長5似乎更加穩妥。不過查遍資料也沒有這樣的火箭構型，罷了。

再看這三次發射，難度一次比一次大，而最後一次將是（1）液氫、液氧、煤油三種燃料，（2）液氧/液氫發動機和（3）液氧/煤油兩種液體發動機，和（4）大型推力新型運載火箭的綜合驗證。

講到這裡，中國新型液體火箭發射的四大看點，已盡在眼前。

讓我們凝神靜氣，細細觀瞧。

除了上述新型液體火箭，中國還有其他的液體火箭在研嗎？這個問題我們下次再聊

所有資料來自於互聯網公開報道和公開出版物，如：

《中國液體火箭發動機》

《俄羅斯液體火箭發動機》

《液體火箭發動機技術發展》

《重型液體火箭發動機研究》

《液氧/煤油發動機》。

《液氧/甲烷發動機》

本文引用了網上的所有圖片，均歸原作者所有，一併致謝！

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