長征七號即將首發，新火箭如何脫胎換骨

6月25日，長征七號火箭將在海南文昌迎來首次發射，它將主要用於發射天舟貨運飛船，給中國未來的空間站運送貨物。

長征七號火箭，將於6月25日至29日，在海南文昌擇機發射。這將是長征七號火箭的首次發射。圖片來源：CAN PHOTO

其實早在2009年，中國載人航天工程網就提到過一款火箭，用於滿足發射貨運飛船的需求。當時火箭的編號為長征二號F/H。這裡的H指的是「換髮」，也就是把長征二號F火箭的老式YF-20火箭發動機，更換為新一代高壓YF-100補燃液氧煤油發動機。

中國上一代的長征二號、長征三號和長征四號火箭都使用YF-20系列發動機作為起飛級動力。YF-20使用四氧化二氮/偏二甲肼作為推進劑，這種推進劑可以在常溫下存儲。老一代長征火箭使用這種推進劑，實際上是直接繼承東風五號洲際導彈技術的結果。畢竟，常溫可存儲的推進劑有助於提高反應速度，必要時還可以加註後長期戰備值班。

不過話說回來，運載火箭並不在乎反應速度，發射推遲幾天甚至十幾天都是家常便飯，這時四氧化二氮/偏二甲肼推進劑過於昂貴的價格，以及強腐蝕和劇毒污染的危險，就越發難以容忍了。而新型的YF-100發動機選用的推進劑則是液氧和煤油。

為什麼選用液氧煤油作為推進劑？首先，液氧煤油本身無毒無污染，燃燒產物也無污染，降低了對環境和加註人員健康的影響。其次，煤油是一種常溫推進劑，存儲運輸和加註都相當方便。

此外，煤油價格便宜，航天用煤油也就是每噸1萬元，作為氧化劑的液氧每噸只要不到2000元，而偏二甲肼每噸要8.2萬，甚至四氧化二氮每噸都要1.8萬元，使用液氧煤油組合可以顯著降低推進劑成本。

最後，液氧煤油組合的密度高比沖也較高，比沖可以等價於我們熟悉的耗油率，這意味著同等推力下一樣多的推進劑火箭發動機可以工作更久，可以把火箭加速到更高的速度。高比沖的液氫液氧推進劑密度太低，高密度的四氧化二氮/偏二甲肼劇毒有污染而且比沖略低，液氧甲烷組合比沖略高但密度卻要低得多。綜合而言，液氧煤油是很理想的火箭推進劑組合。

高壓補燃

僅僅從四氧化二氮/偏二甲肼換成液氧煤油推進劑，YF-100發動機就可以稱的上是脫胎換骨了。不只如此，YF-100發動機還是一種高壓補燃發動機。

老式的YF-20是一種開式燃氣發生器循環的發動機。所謂開式循環，指的是推進劑在燃氣發生器中燃燒，產生的燃氣驅動渦輪後，直接排放到空氣中。這會導致浪費部分推進劑。

YF-100發動機採用的補燃循環又稱分級燃燒循環，先把一部分推進劑在燃氣發生器中進行富氧燃燒，產生溫度較低的大流量高能燃氣驅動渦輪，隨後燃氣還將排入主燃燒室進行完全燃燒。

長征七號火箭的芯一級裝備了兩台YF-100發動機，4台助推器也各裝備了一台YF-100發動機。圖片來源：作者供圖

從推進劑使用效率來說，補燃循環的比衝要比開式循環更高。此外，補燃循環還更容易提高燃燒室壓力，提高燃燒效率，進一步提高發動機比沖。根據中國工程院院士、液體火箭發動機專家張貴田院士的介紹，閉式循環比沖可以提高6%以上，對於典型的二級半火箭（即捆綁了助推器的二級火箭），起飛質量相同的話，運載能力可以提高30%，而運力相同的話，火箭起飛質量可以降低20%。

美國太空探索技術公司（SpaceX）的梅林1D發動機是開式循環液氧煤油發動機的巔峰之作，公開報道稱梅林1D發動機的地面比沖僅有286秒，真空比沖也只有312秒，而YF-100發動機地面比沖為300秒，真空比沖更是達到了335秒之多，發動機比衝上的優勢十分明顯。

總而言之，YF-100高壓補燃液氧煤油發動機使用了新的無毒無污染的廉價推進劑組合，使用了先進和高性能的高壓補燃循環方案，發動機性能相當強悍。換用YF-100之後，新款火箭無論是運載能力還是運載係數都有了不小的提高，與長征二號F火箭已經大相徑庭。

最終，這款火箭得到了長征七號的編號，成為中國新一代運載火箭3.35米直徑構型的一種，名正言順地從換髮升級為換代。不只如此，長征七號火箭正式立項後研製使用的一系列新技術，也無愧於換代火箭之名。

長征七號是中國第一種使用全數字化設計和製造模式的運載火箭，因此又被稱為「數字火箭」。它將成為中國未來中型運載火箭的基本構型，並和衍生型號承擔起中國未來大部分航天發射任務。

數字火箭的數字化體現在什麼方面呢？長征七號從設計、製造、試驗到管理的全過程都使用數字化管理。數字化設計最為直觀，簡單地說就是通過數字化建模和模擬建立火箭的三維數字模型，實現用數字模裝代替實物模裝，進行火箭的裝配和介面協調工作。這樣的三維數字模擬裝配檢驗，可以節省大量的人力物力，縮短研製周期。

舉例來說，長征七號火箭助推器研製過程中，就通過數字化預裝配發現了環管和框支架的干涉問題，及時反饋到設計部門，而傳統研製流程下只有等到實際裝配才能發現這樣的問題，屆時環管返工重新設計，不可避免會拖累到火箭設計試驗的進度。

數字化製造技術可以在保證質量和降低成本的同時，大大減少設計和生產協調的麻煩，提高火箭總體的研製效率。長征七號火箭的整流罩就使用了數字化製造技術，它是中國研製的第一個沒有實物模裝的整流罩，整流罩三維設計文件下廠後直接生產，最終整流罩與地面設備完全吻合，沒有任何質量問題。

數字化模擬對火箭的研製試驗同樣大有裨益，長征七號火箭助推器曾進行數字化模擬試驗，提前發現了火箭伺服機構安裝時空間不足的問題，從而有充裕的時間製作工裝，簡化了伺服機構的安裝。要知道，製作工裝至少要20天，如果沒有數字化模擬提前發現問題，而是安裝時再發現問題，研製進度必然大受影響。

長征七號火箭的全數字化，也有力推動了中國航天工業的數字化設計製造，為未來多快好省的研製更先進的運載火箭奠定了基礎。

正在裝配中的長征七號火箭。圖片來源：中國航天科技集團

根據著名私人航天網站太空發射報告網（spacelaunchreport）的數據，2003年前後中國專家參加國際會議發布的論文中，提到了長征五號-340的編號，這是一種起飛重量522噸、近地軌道運載能力10噸的中型運載火箭，它正是今天長征七號的前身。

中國工程院院士、火箭與航天技術專家龍樂豪院士不久後公開發表的《新一代運載火箭》一文中， 同樣提到了3.35米直徑中型火箭的系列方案，其中A方案起飛重量540噸、近地軌道運載能力10噸，顯然這是同一種構型，不過火箭已經略微增重了。

長征七號下一次浮出水面，已經是2009年載人航天工程網的報道了，此時長征二號F/H火箭已經增重到起飛重量579噸，近地軌道運載能力13噸，並明確提到將用於發射未來的貨運飛船，也就是我們現在所說的天舟飛船。

2011年後長征七號火箭正式立項，年底公布的《2011年中國的航天》白皮書明確提到，長征七號火箭將具備近地軌道13.5噸、700千米太陽同步軌道5.5噸的運載能力，從此運力性能指標就此定格。

有趣的是，雖然長征七號的13.5噸運力在官方報道中再沒有發生變化，但載人航天工程總師周建平介紹空間站的文章中卻有意外發現。他在文中提到，中國貨運飛船上行貨物運輸能力6500 千克，下行銷毀廢棄物能力 6000 千克，貨運載荷比達 46%。如果按上行運力6.5噸計算，天舟飛船最大重量就成了14.13噸，那麼長征七號火箭的運力也該略大或是至少與其相當才對。巧合的是，根據近期報道，長征七號火箭的起飛重量已經提高到597噸，這似乎也暗示了長征七號火箭運力有了進一步的提高。

對比天舟飛船的報道，我們可以推測長征七號火箭從最初的長征五號-340構型增重並增加運力，主要的因素就是發射越來越重的天舟貨運飛船，畢竟長征七號是載人航天工程的一部分，最主要的任務目前就是發射天舟貨運飛船。

長征七號火箭已經豎立在發射塔架，即將迎來首次發射。這也是海南文昌航天發射中心的首次發射任務。圖片來源：中新社
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