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运载火箭型号数字越大就越先进吗?细数“长征”火箭问天之路

来源: 北京日报

2021-12-01 10:03:22

“长征”系列运载火箭

11月27日,我国在西昌卫星发射中心进行了“长征”系列运载火箭第399次发射,年内完成第400次发射指日可待。此外,我国在今年已进行了47次运载火箭发射,不仅创我国年度发射次数新高,而且有望继2018年、2019年之后再次居全球各国运载火箭年度发射次数第一。

虽然我国还发射过“风暴”“开拓者”“快舟”和“双曲线”等其他型号的运载火箭,但无论是运载能力、发射数量,还是型号种类、入轨精度等方面,都与“长征”不可相比。“长征”系列火箭是我国运载火箭中的绝对主力和名副其实的“国家队”,为中国航天的飞速发展立下了汗马功劳。

“老一代”火箭老当益壮

1970年4月24日,长征一号火箭完成首飞,成功把我国第一颗人造地球卫星——东方红一号送入太空,也开启了我国“长征”系列火箭的长征之路。

“长征”系列火箭实现第一个100次发射用时37年;第二个100次发射用时7年多;第三个100次发射用时4年多;第四个100次发射仅用时2年多,从而在不同方面充分体现了中国速度、中国力量、中国智慧。

我国早期的“长征”火箭是从弹道导弹改进而来的,大约研制和发射了13种型号。目前仍在使用的长征二号子系列、三号子系列、四号子系列火箭都属于这种类型的运载火箭,它们分别用于发射低轨、中高轨和极轨航天器。

在低轨系列火箭方面,我国现役的长征二号C、二号D、二号F为两级型或两级半型(并联的助推器算半级),且都采用偏二甲肼/四氧化二氮的常温推进剂,主要在酒泉卫星发射中心发射多种低轨道航天器。其中两级型火箭长征二号C的低轨道运载能力为4.1吨,可靠性很高,是此后不少“长征”子系列火箭发展的基础,被誉为“金牌火箭”。采用两级半型的长征二号F是我国第一种载人运载火箭,现已成功发射了13艘“神舟”系列飞船和2座“天宫”空间实验室。

长征二号F火箭广泛采用了冗余设计,提高了元器件等级和筛选标准,发动机也进行了旨在提高可靠性的设计,并增加了故障检测处理和逃逸系统,使火箭的可靠性达到98%。其顶部装有一个类似避雷针的逃逸塔,它可使航天员的安全性达到0.99996,即该火箭平均发射10万次才可能有4次逃逸失败,在保障航天员安全方面比“万无一失”的水平还要高。

在中高轨系列火箭方面,我国现役的长征三号A、三号B、三号C为三级型或三级半型,它们既采用偏二甲肼/四氧化二氮的常温推进剂,又采用液氧/液氢的低温推进剂,主要在西昌卫星发射中心发射各种中高轨道航天器。其中长征三号B火箭是目前我国发射高轨道航天器的主力火箭。它已成功发射过多颗国内外通信卫星,北斗三号、嫦娥三号和嫦娥四号落月探测器等也都由它送入太空。

在极轨系列火箭方面,我国现役的长征四号B、四号C为三级型串联常温火箭,主要在太原卫星发射中心发射各种极轨道航天器。它们已发射多颗陆地卫星、气象卫星和海洋卫星等极轨道遥感卫星。

“新一代”火箭风采卓然

面对不断增长的空间资源开发需求以及日益激烈的商业发射市场,我国在不断改进原有火箭的同时,按照“无毒、无污染、低成本、高可靠、大推力、适应性强、安全性好”的目标,从2015年起,开始陆续研制、发射长征五号、五号B、六号、七号、七号A、八号、十一号等新一代大型、中型和小型运载火箭。

新一代运载火箭采用无毒环保、价格便宜、比冲较高的液氢/液氧或液氧/煤油发动机以及大直径、少级数等方案,通过模块化、组合化和系列化方式,成倍地提高了运载能力,降低了成本。

2015年首次发射的长征六号是三级型新一代小型液体运载火箭,它可将1吨的有效载荷发射到700千米高的太阳同步轨道。其第一级采用了1台首次使用、推力为120吨的液氧/煤油发动机,为此后长征五号、七号等也采用该发动机推出新型火箭奠定了基础。长征六号发射准备周期仅需7天,现已投入商业发射。

2015年首次发射的长征十一号火箭是四级型新一代小型固体运载火箭,它可把500千克的有效载荷发射到500千米高的太阳同步轨道。作为“长征”家族中第一型和唯一型固体火箭,长征十一号具有“快速、可靠、便捷、低廉”的优势,实现了我国运载火箭24小时快速发射的跨越,主要用于1000千米以下太阳同步轨道和低轨道中小型航天器的发射,满足自然灾害、突发事件等应急情况下微小卫星发射需求,现已投入商业发射。

2019年,我国首次在海上平台上用长征十一号火箭将7颗卫星顺利送入预定轨道。在海上发射运载火箭,既能降低发射成本、提高运载能力,还可有效解决火箭航区和残骸落区安全性问题,避免大规模人员疏散,为我国航天发射提供了新的发射模式。

2016年,我国新一代中型运载火箭长征七号首次发射成功。它采用两级半构型,可以把13.5吨的有效载荷送入近地点200千米、远地点400千米、倾角42°的低轨道,目前主要用于发射“天舟”货运飞船。它是利用长征二号F火箭的成熟技术,在大体不变的情况下把原来的常温发动机换成新研制的120吨液氧/煤油发动机。

2016年,我国新一代大型运载火箭长征五号首次发射成功。它采用两级半构型,其最大特点是芯一级直径为5米(其他“长征”火箭最大直径为3.35米),俗称“胖五”。该火箭综合性能指标达到国际上主流运载火箭水平,已成功发射了嫦娥五号月球采样返回探测器和天问一号火星探测器等大型航天器。

在长征五号的基础上发展而来的长征五号B火箭是去掉了长征五号的第二级,采用一级半构型。其低轨道运载能力为25吨,主要用于发射空间站舱段。它的整流罩是目前我国最大的,为装载空间站舱段而量身打造的。

长征八号是我国两级半型新一代商业太阳同步轨道运载火箭。该火箭以商业化、低成本、方便快捷、好使用为目标,可以将4.5吨的卫星送入700千米太阳同步轨道。

“远征”上面级

实现“太空摆渡”

2015年,我国首个“太空摆渡车”——远征一号上面级实现了首飞。上面级是一种能够进一步将航天器从准地球轨道或地球轨道送入预定工作轨道或预定空间位置的小火箭。它可多次启动,工作时间长,能先后把不同“乘客”送到不同的最终目的地,大大增强了我国运载火箭的任务适应性。

2015年,我国首个自主研发的四级半火箭——长征三号C/远征一号首飞,发射了“北斗”导航卫星。它是在原本三级半的长征三号C火箭上面增加了一级,从而变成四级半火箭。以往的三级半火箭只能将卫星送至地球同步转移轨道,即发射轨道是椭圆形,此后卫星需要自己变轨为圆形轨道。而改进后的四级半火箭则可以直接将卫星发送至距离更为遥远的目标轨道,卫星不需要再变轨了,从而能大大节省燃料甚至取消卫星上的远地点发动机。一般的三级半火箭只能飞行0.5小时左右,而装有上面级的四级半火箭可飞行6小时左右,能飞到几万千米的外太空。

2016年我国长征七号首飞,它装有远征一号A上面级。该上面级在轨飞行时间从远征一号的6.5小时延长至48小时,主发动机由可以2次启动增加至20次启动,分离次数也由1次增加至7次。所以,它可把更多的“乘客”送到不同的地点,变轨能力大大增强了,拓展了“摆渡车”的服务功能。

2016年,长征五号首飞,搭载了远征二号上面级。与远征一号相比,远征二号上面级对发动机的推力稳定性和双机推力同步性要求更为严格,热环境、电磁环境更为复杂。

2018年,长征二号C火箭与远征一号S上面级携手,成功将遥感三十二号01组两颗卫星精准送入预定轨道。该上面级是专门为满足中低轨、短时间的发射需求而研制的一型产品。它执行任务时间短,与基础级分离完成后马上点火加速,整个飞行任务基本上在1小时以内。

在上述“远征”上面级家族中,远征一号上面级是基本型,主要针对中高轨的直接入轨任务,只有两次启动能力,被称为“太空摆渡车”。远征一号A上面级实现了多次启动、长时间在轨,可完成不同轨道的多星部署,被称为“升级版太空摆渡车”。远征二号上面级有两台发动机,运载能力更大,执行高轨多星的直接入轨任务,被称为“增强型太空摆渡车”。

我国还研制了更先进的远征三号上面级,可再提高上面级任务的适应性。

延伸阅读

“长征”系列火箭未来更精彩

几十年来,通过我国几代火箭人的不懈努力,“长征”系列火箭走过了从常温推进到低温推进、从串联到并联、从低轨到高轨、从“一箭一星”到“一箭多星”、从发射人造地球卫星到发射载人航天器和空间探测器、从陆射到海射等非凡的技术历程,现已具备了发射低中高不同轨道、不同类型载荷的运载能力,在推力、成功率、发射频度、入轨精度和适应能力等方面均达到了世界一流火箭的水平。

未来,我国还将研制、发射新一代载人运载火箭和重型运载火箭等更先进的运载火箭。其中新一代载人运载火箭低轨道运载能力为70吨,地月转移轨道运载能力为25吨,将用于发射我国新一代载人飞船;长征九号重型运载火箭采用三级半构型,全箭总长近百米,起飞推力在3000吨上下,芯级箭体直径约10米,低轨道运载能力140吨,地月转移轨道运载能力50吨,可用于完成发射载人登月飞船和太空电站建造等重大航天任务。

知识问答

运载火箭型号数字越大就越先进吗?

长征系列运载火箭的型号里都包含有数字,比如从长征一号到长征十一号。有读者可能会问,是不是数字越大,就代表火箭越大或越先进?

从我们前面的介绍里可以看出,情况不是这样的。

型号里的数字主要与立项时间有关。有的火箭立项时间比较早,但任务复杂难度高,研发成功的时间不一定更早,并不代表它的先进性重要性就不如那些立项晚的火箭。长征五号火箭就是一个典型的例子。长征五号作为大型火箭,早在2006年就正式立项研制,目标是担负空间站、月球探测器和火星探测器等各类航天器的发射任务,由于任务难度大,直到2016年11月3日长征五号才在文昌航天发射场首次成功发射。而后立项、任务难度相对没有那么大的长征六号火箭却是率先发射。

另一方面,型号中不同数字的火箭担负不同的任务,比如有些是负责发射低轨道航天器,有些负责发射高轨道航天器;有些负责发射载货航天器,有些负责发射载人航天器,它们之间是不能简单比较谁更先进的。

来源:北京日报

作者:庞之浩

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