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长征七号为我国新一代中型运载火箭

2016-06-26 10:32 来源:文汇报  我有话说
2016-06-26 10:32:35来源:文汇报作者:责任编辑:蒋正翔

长征七号为我国新一代中型运载火箭

——对话长征七号副总指挥张涛

  我国载人空间站需要长征七号

  文汇报:长征七号研制是怎么提出的?当时考虑它主要承担什么发射任务?

  张涛:最早提出研制长七的专家,是我们的老院长、中国工程院院士王永志同志。提出研制长七的主要目的,是为了建设我国的载人空间站。国家航天部门已经宣布,将在2020年前后完成中国载人空间站的建设任务。俄罗斯“和平号”空间站最初的设计寿命只有5年,1986年2月发射升空后,实际载人飞行了13年,全部在轨时间超过15年后坠毁在南太平洋;而正在运行的“国际空间站”,其建成后的设计寿命为15-20年。中科院空间应用工程与技术中心权威人士已经透露,我国未来的第一个载人空间站的在轨运行时间也应当在10年以上。在载人空间站在轨运行期间,必须由货运飞船为其运送货物和燃料。为了降低飞行成本,货运飞船就必须一次能为载人空间站送去尽可能多的物资和给养,所以发射货运飞船的运载火箭也必须大些、更大些。但当时,我们有效载荷最大的运载火箭是长二捆(“CZ-2F”),它的有效载荷约9吨,所以研制火箭推力和有效载荷更大的运载火箭,就成了中国航天人必然的选择。

  文汇报:听说长征七号开始时的型号是“CZ-2F/(H)”,而现在命名为“长征7号”,这中间有什么区别?

  张涛:研制长征七号,对我们运载火箭技术研究院来说,真是“八年磨一剑”。2008年11月,我们院就组建了最早的型号队伍;2011年1月,长征七号和我国载人空间站工程一起通过国家立项。那为什么最早的型号是“CZ-2F/(H)”? 因为最初的设想是在长二捆的基础上,花5年左右的时间,实现更换新燃料的目标。这个“H”,就是“换”的意思。现在的长征七号,不仅燃料换了,发动机换了,火箭的布局也换了。长征七号实现了有效载荷运载能力从9吨向13.5吨的跨越,前后花了将近8年时间,这与国际上研制一个新型号的运载火箭的周期为8至10年是基本吻合的。

  长征七号是“跨代”的运载火箭

  文汇报:请具体介绍一下长征七号有哪些主要的创新点。

  张涛:长征七号与长二捆相比,除了火箭结构的直径都是2.25米和3.35米没有变化以外,可以说别的都变了。与过去的长征二号、三号、四号系列火箭相比,它有着“跨代”的特征,是我国新一代无毒无污染环保中型运载火箭。

  首先,它采用了新动力。长征七号的全长为53.1米,采用的是二级半结构,中间最下面的芯一级高度逾26米,还捆绑有4个助推器,助推器的高度比长二捆的助推器高了将近一倍,高达27米。4个助推器的直径是2.25米,每个装有一台液氧煤油发动机,每个推力达到120吨,比过去的75吨增大了60%。火箭芯一级的直径仍是3.35米,内装2台120吨的液氧煤油发动机。芯一级上面是一个将近3米高的级间段,上部芯二级装

  有4台18吨推力的液氧煤油发动机。火箭最上部的整流罩也作了改进,高度为13米,直径为4.2米。

  火箭按程序点火后,正常情况下在7秒钟之后形成730吨推力。火箭起先缓缓离开发射台,然后越飞越快,直射苍穹。

  首次发射的长征七号的近地轨道运载能力为13.5吨,太阳同步轨道运载能力达到了5.5吨。它运载能力的增强,不仅是因为火箭的“个子”比过去大了,还因为它采用了新燃料。新型发动机的全称是“液氧煤油高压补燃发动机”,使用的燃料是液氧和煤油,与过去使用的燃料偏二甲肼、四氧化二氮相比,不仅无毒无污染,而且火箭发动机的推重比更大,如以人来比喻,就是不仅个子长高了,而且力气也更大了。

  文汇报:但是,长征七号运载火箭的“个子”大了,加注的燃料也多了,其自身的“体重”不是也增加了吗,还能“身手矫健”吗?

  张涛:运载火箭的推力大了,火箭的力学特性就会发生变化,比如它的重量、发射时的振动和冲击都大了。在研制长征七号时,设计师们已经考虑到了这一挑战,对火箭的结构和布局进行了优化,使其自身结构的重量更轻。长征七号起飞时,整体重量近600吨,其中火箭自身钢筋铁骨的结构重量仅占一成左右,约九成重量为燃料,这使得运载火箭得以装载更多的有效载荷。

  文汇报:除了新动力、新能源以外,长征七号还有什么创新?

  张涛:长征七号还采用了新的布局和新的结构。新的布局体现在发动机首次实现了联合摇摆控制,过去助推火箭的摇摆角度有限,而长征七号4台助推器的发动机都可进行单摆、第一级芯级里的2台发动机可实现双摆;第二级芯级里的4台发动机2台固定、2台可以实现双摆,这使得整个运载火箭的飞行控制更为“操控自如”。

  更为强劲的动力系统,也带来了运载火箭的力、热环境的恶化,各部件的耦合条件也更为复杂,因此我们对长征七号的结构也进行了优化。过去运载火箭捆绑的助推器是“两点支撑”,现在长征七号采用的是全新的“三点支撑”,又叫“超静定捆绑”,火箭的贮箱也使用了新型材料。

  长征七号还有了更聪敏的“大脑”,由于采用了三总线控制的冗余技术,具有自我检测和备份功能,提高了运载火箭的安全性和可靠性。新研制的“新三垂”发射台,大大缩短了燃料加注后的发射准备时间。

  在发射时,还首次采用了级间二次分离技术。就是发射后三分钟左右,4个助推火箭先行分离,芯一级发动机再飞行十多秒后分离;此后是级间段分离,然后芯二级的4个发动机点火,将有效载荷送入预定的轨道,实现船箭分离。

  长征七号具有中雨发射升空能力

  文汇报:您曾说过,长征七号是我国第一个全三维数字化设计的运载火箭。这枚全部在计算机上设计出来的运载火箭,在运到海南文昌航天发射中心进行实地合练后,有没有遇到过新的问题?

  张涛:长征七号确实是我国首枚全三维数字化设计出来的运载火箭。也就是说,整个长征七号运载火箭的22种、42部段全部是通过数字化设计后下厂制造的。它标志着我国运载火箭的研制能力已接近波音、空客和NASA,我运载火箭迈入了全生命周期数字化时代的大门。

  在运载火箭研制的过程中,对液氧煤油发动机进行了总计超过5万秒的试车试验,期间不断地优化完善,达到了较稳定的设计要求。2014年年底,长征七号合练箭抵达文昌航天发射中心,开展了近3个月的合练,我们还是发现了一些新的问题。主要是海南自然环境的高温、高湿和高盐雾,以及海边的浅层风影响比较大。长征七号使用的液氧低温达到-183℃,在海南的高温高湿环境中,加注后的箭体上易结霜滴水,影响飞行安全。而且海南的湿度特别大,过去在酒泉、太原航天发射中心,那里的气候非常干燥,有时甚至过度干燥;西昌航天发射

  中心位于群山之中,湿度也不小,但基本不影响飞行安全;文昌傍海,湿气要大得多,如不采取特殊的防湿防水措施,就有可能造成运载火箭内的仪器线路短路,且当地全年12小时内降水5-15毫米的中雨较多。好在最初设计时,就有针对性地专门做了“防水”设计。在合练过程中,又进一步优化了防潮防湿的措施。现在我们还可以自信地说,长征七号运载火箭是我国第一枚拥有在中雨条件下正常发射能力的运载火箭,这个能力是长二、长三、长四等运载火箭所不具备的。当然,我们会尽量挑一个好天气发射,以确保首飞取得圆满成功。

  经过合练,长七的低温燃料加注后成功实现了可停放24小时,创下了低温燃料停放时间最长的纪录,这可为成功发射争取更多的有利时间。

  文汇报:长征七号的可靠性设计指标是多少?

  张涛:长征七号的可靠性设计指标是0.98,这是国际上运载火箭可靠性设计指标中最高的。国际上运载火箭可靠性设计指标通常为0.95-0.96。美国航天飞机就曾遭遇了两次重大失误,其可靠性还达不到这一标准。我们把可靠性的指标设计得这么高,是因为长征七号未来要承担的重要使命是为我国的载人空间站服务,具有载人飞船发射的潜在使命,所以可靠性指标必须定得很高,以确保万无一失。

  今年下半年,我们还将在酒泉航天发射中心发射第二个空间实验室“天宫二号”,以及载有两名宇航员的“神舟十一号”,并与“天宫二号”实现对接。明年,长征七号将开始大显身手,将我国第一艘货运飞船“天舟一号”送上太空,实现与“天宫二号”的对接,为将来建设我国第一个载人空间站热身练手。

[责任编辑:蒋正翔]


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