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大火箭家族“长征七号”首飞解析 发射之旅全面科普

2016年06月26日08:06  来源:人民网-科普中国  手机看新闻

随着长征七号的成功发射,我国载人航天工程空间实验室阶段4次飞行任务的开局之战也将开启。发动机是新型的,发射架更加简练,轨道舱也被淘汰了……长征七号还会给我们带来怎样的惊喜?

应势而生的长征七号:燃料更环保,运载能力更强

随着我国航天事业的不断发展,空间站的建设与大质量卫星的发射需求开始出现,而老一代运载火箭已无法满足需求。为了运载这些大质量的舱段以及卫星,研制新型的大运力火箭是十分必要的。况且,老一代长征系列火箭大量使用剧毒的肼-四氧化二氮燃料,从保护自然环境以及工作环境的角度来看,研制新型的环保运载火箭也是十分必要的。

可以看到滚滚的四氧化二氮的红烟,这种红烟不仅剧毒,而且是臭氧层破坏物。

为了满足新运载火箭的动力需求,新型的火箭发动机是必不可少的。

于是,在2001年,120吨推力的YF-100液氧/煤油发动机与70吨推力的YF-77液氧/液氢发动机便获得了立项。以这两款发动机作主要动力来源的长征五号,也在2006年走入了公众的视线。

两年以后,为了满足小卫星的发射需求,长征六号也在2008年上马,它的芯一级使用单台YF-100发动机,二级使用单台18吨推力的YF-115液氧/煤油发动机。

装备了YF-100发动机的长征六号从起飞效果看就很不一样了。

长征五号最大的LEO(低地球轨道运载能力)有25吨,最小的LEO也有10吨,而长征六号的SSO(太阳同步轨道运载能力)为0.5吨,LEO大约为1吨。

为了填补长征五号和长征六号中间的空白,也为了给未来的货运飞船提供运载工具,2010年,长征七号便被提出。实际上,长征七号几乎就是长征二号的翻版——3.35米直径芯级配合2.25米直径助推级,继承了长征二号的构型,但同时又结合了新式火箭发动机,实在是创新之举。

两枚火箭的发射合练,长征七号显然要瘦的多。

长征七号芯一级采用双联YF-100液氧煤油发动机,四个助推级采取单发YF-100液氧煤油发动机,第二级采取四台YF-115发动机。而去年长征六号的成功试射,已经宣告了这两款发动机是非常成功的产品。所以这次长征七号的成功发射,可以说,是得到了充分保证的。

长征七号的组装车间,我们可以轻易辨认出每一段箭体的对应位置。

长征七号主要干吗?运飞船!

长征七号在未来一段时间的主要用途,是运载“天舟”系列货运飞船,给在空间站的宇航员送给养。同时,去年的“远征一号”上面级的成功运作,今年的“远征二号”上面级以及未来可能的新的低温上面级的面世,还可以给长征七号赋予更多的功能——它将帮助卫星走向地球同步转移轨道(GTO),从而让长征七号有足够的能力替代现有的一些运载火箭。

“天舟”货运飞船的效果图以及其实际的货舱段

“天舟”货运飞船的实际货舱段

除了文昌鸡,文昌还有卫星发射中心

这次长征七号的成功发射,宣布着文昌卫星发射中心的正式启用。

为什么新的发射中心要设在文昌呢?当然是因为文昌有很多优点:

1.纬度越低,地球自转的线速度越快,这就可以让火箭携带更多的载荷。而文昌卫星发射中心的纬度只有19°,也算是非常有利的位置了。

文昌卫星发射中心的位置

2.由于长征五号的芯一级直径达到了5米,这意味着它无法经由陆路运输——因为过不了隧道;空路也不行——飞机没办法运输这么大直径的东西。于是,海运成为了唯一可行的办法。而从天津出厂的火箭箭体可以很方便的通过水路抵达文昌。

长征七号在天津港打包装箱,目的地:文昌

3.火箭的发射方向基本都是向东以及向南的。这意味着助推级与一级火箭燃烧完毕的残骸,将落在东面与南面。而文昌的东面与南面都靠海,这就意味着火箭的残骸将直接落在海面,从根本上规避了残骸砸到人的风险。

国外的很多航天中心也参考了这些要素。美国的肯尼迪航天中心,东面就是大西洋,纬度约28°;欧空局的库鲁航天中心,也在海边,而且其纬度更是只有4°,接近于赤道。

位于卡拉维纳尔角的肯尼迪航天中心,右边就是大西洋

欧空局的库鲁航天中心,图上方的加勒比海清晰可见

火箭这么大个头怎么运输?

在去年长征七号合练照片发布的时候,很多人都注意到了发射架的转变——以往庞大的发射塔,被简练的发射架代替了。去年长征六号的发射也采取了这样的技术,甚至更进一步——直接用发射车转运。

转运车的轮子呢?原来是太小了啊

在以往的发射准备过程中,我们的火箭从组装中心到发射塔,需要垂直转运一段路,几乎没有任何的支撑。由于火箭很高,因此其重心也很高,在风太大的时候,转运工作就相当危险了。这对于火箭的发射准备也是比较不利的。

这么大个转运,没有任何辅助……慌了吗?

以往的发射塔兼职了火箭组装间,所以做成这么大。但随着火箭发射频率的增加,发射准备时间也逐渐缩短,垂直转运就能满足这一要求。随着技术的进步,现在的发射塔已经只有固定与燃料加注的职能,这样就能做得很轻,使连箭带架的转运成为了可能,从而降低了对转运环境条件的要求。

火箭上面都带了啥?

你可以想到整个脐带塔从组装间里头出来的样子了吗?

去年长六的发射,一下子携带了20颗卫星,全部入轨并且测控成功。而长征七号也不例外,它带了一个重量级乘客——新型载人飞船的小尺寸模型。

我国现在使用的神舟载人飞船,已经为大家所熟知了。它借鉴了前苏联“联盟号”飞船轨道舱、返回舱以及推进舱的结构,也设计了三个舱室。

这是兄弟般的飞船

而新的载人飞船,去掉了轨道舱,仅由指令舱与推进舱构成,与美国的一些飞船更为接近。

新的载人飞船更接近美国的飞船

那么为什么要去掉轨道舱呢?

从飞船的发展来看,轨道舱是一个多功能舱,实质上是没有空间站的情况下的权宜之计。航天员在轨道舱内,可以进行活动,也同样能进行一些实验。而且中国的神舟系列轨道舱还能在轨运营一段时间,提供更丰富的数据。在神舟七号上,轨道舱还被魔改成了气闸舱,成为了航天器/太空环境的过渡舱室。

但随着空间站计划的提出,“天宫”系列轨道飞行器的成功运作,航天员已经能够有更加宽裕的工作与活动环境,轨道舱已经逐渐失去了它的意义。而当我们去掉了轨道舱后,返回舱与推进舱能做得更大,从而可以携带更多的乘员以及更多的燃料。为今后更进一步的载人航天工作(甚至是载人登月)打下坚实的基础。

写在文章外的话:两款不同尺寸的推进舱,看来真的是要为载人登月做准备了。

出品:科普中国

制作:长征⑨号团队 姚智恺

监制:中国科学院计算机网络信息中心

“科普中国”是中国科协携同社会各方利用信息化手段开展科学传播的科学权威品牌。

本文由科普中国融合创作出品,转载请注明出处。 

(责编:张希、肖玲)

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