攻克集束式分离技术长征七号甲复飞成功,

时隔不到一年时间,长征七号甲遥二火箭一扫遥一任务失利阴霾于本月12日1时51分在海南文昌发射场成功复飞,火箭搭载的由航天科技五院用时8个月研制的试验九号卫星顺利进入预定轨道。

长征七号甲遥二火箭发射

在长征系列新一代无毒无污染火箭中长征七号甲是一款极具特色的产品,该火箭采用三级半构型,火箭总高60.13米刷新了我国火箭的高度纪录,甚至比长征五号大型运载火箭还要高出一头。

从结构上看长征七号甲是长征三号甲系列火箭芯三级与长征七号的融合产物,芯一级是3.35米直径液氧煤油箭体,配置2台YF-液氧煤油发动机,捆绑四枚2.25米直径助推器,每枚助推器配置1台YF-发动机,起飞级总计6台YF-发动机,起飞推力约吨,芯二级与长征七号一样也是液氧煤油级,配置4台YF-发动机,芯三级则是长征三号甲系列的芯三级,配置2台YF-75氢氧发动机,火箭起飞质量吨。

需要指出的是为了能够容纳新加入的芯三级,芯二级与整流罩尺寸都有一定程度的压缩。

国内高度最高火箭

作为一款三级半构型火箭其主要目标当然是高轨轨道,在长征七号甲成功之前我国地球同步转移轨道发射主要依靠长征三号甲系列火箭,其运力区间是2.6至5.5吨,然后就是长征五号的14吨。

随着高轨卫星日趋大型化,长三甲系列也日益难堪重任,长征五号运力又太高有杀鸡用牛刀之嫌,在成本上不合算,受限于此我国高轨卫星发射质量曾长期被限制在5.5吨以内。长征七号甲的成功则一举弥补了这一缺憾,其地球同步转移轨道运力可达7吨,能够有效衔接长征三号甲系列与长征五号之间的运力空白。

长征七号甲遥二与试验九号卫星分离

据航天科技集团官方披露,长征七号甲发射订单已经排期至年,每年发射量在3到5发,对于高轨火箭而言是当之无愧的劳模,由此可见我国大吨位高轨卫星的发射需求有多么迫切。

7吨地球同步转移轨道运力意味着还可以增加上面级,由上面级将卫星直接送入地球静止轨道,而无需卫星自身消耗燃料抬升轨道或者消除轨道倾角,对于卫星寿命的延长大有裨益,此种发射被称为“零倾角卫星发射”。

长征七号甲2.25米直径助推器

优异的高轨运力还意味着深空探测战线又多了一支生力军,长征七号甲直送地月转移轨道运力有望达到4.8吨,比长征三号乙改二型多出整整1吨,在月球探测任务中可以发射大质量绕月探测卫星,也可以发射小型货运飞船,服务环月轨道空间站的物资补给。

年我们还有火星无人采样返回任务,原本计划由一枚长征五号+一枚长征三号乙火箭联合实施,现在看来长征七号甲完全可以取代长征三号乙,使得采样飞船规模可以进一步扩大,任务灵活性更强。除此之外,小行星探测器也可选择长征七号甲发射。

火星采样返回任务

日前,航天科技六院院长刘志让披露,航天科技集团已经策划由新一代运载火箭替代常规推进剂运载火箭的更新换代策略,到年新火箭发射占比达到50%,年这一比值要达到%,结合长征七号甲到年每年三至五次发射任务看,取代长征三号乙已经是大势所趋。

长征三号乙运载火箭

长征七号甲除了运力出众,还有一个特色就是率先应用了起飞级集束式分离技术,以往捆绑助推器的火箭通常是先分离助推器,再分离芯一级,长征七号甲则是将助推器与芯一级作为一个整体分离,相当于是一个“大一级”,为什么要这么做呢?主要有两个原因:

首先是便于控制火箭残骸落区,再就是为垂直回收复用火箭长征-8R积累技术经验。

长征七号甲起飞级

为了攻克垂直回收复用火箭技术航天科技集团也早有布局,并付诸实施:

年9月7日,在海洋一号C卫星发射任务中长征二号丙火箭整流罩搭载“归燕一号”分立体再入测量与翼伞归航系统进行再入回收测试,实现整流罩可控落点精准回收;

归燕一号

年7月26日,长征二号丙火箭在遥感三十号05组卫星发射任务中首次在芯一级箭体上安装栅格舵,成功实现该级箭体的定点下落,在有效控制残骸落区基础上进一步探索了火箭回收技术;

长征二号丙栅格舵

年11月3日,长征四号乙火箭在高分七号卫星发射任务中再次应用栅格舵装置,又一次完成芯一级可控落点下落任务;

长征四号乙栅格舵

年9月27日至28日,航天科技一院成功实施孔雀飞行器非程序制导控制技术飞行演示验证;

年12月16日,长征八号运载火箭首飞,芯一级YF-液氧煤油发动机顺利实施推力节流控制,在提高火箭性能的同时,为垂直回收复用火箭再打通一关。

长征八号

据中科院院士姜杰披露,长征八号预计将在今年完成垂直起降关键技术的演示验证。

这种演示验证类似猎鹰九号蚱蜢或者F-9R的飞行试验,按照既定规划参与试验的箭体并非来自长征八号,而是由长征七号二子级改造的箭体参与垂直起降关键技术演示验证,该子级配置的YF-是我国另一款具备变推力功能的液氧煤油发动机,而长征七号二子级配置有4台此款发动机非常适合实施此项试验。

垂直起降关键技术演示验证

加上刚刚复飞成功的长征七号甲应用的集束式分离技术,总计有五款长征系列火箭参与到垂直回收关键技术攻关任务中,除了航天科技八院的长征四号乙,其余四款火箭的终极目标都是为长征-8R垂直回收复用运载火箭的研制任务铺路。

长征-8R是在长征八号基础上升级而来,采用两助推+芯一级集束式垂直回收方案,选择该回收方案的原因有两点,首先只需一套回收装置即可实现3套箭体模块回收,经济性更佳,该型火箭在重复使用三次之后即可抵消由复用需求产生的附加费用成本,通俗点说就是复用三次即可保本,三次之后发射报价将显著降低。

长征-8R

另外一个原因就是发动机的深度节流变推力问题,我们现在并没有现成的深度变推发动机,那么能不能依托现有动力产品实现火箭的垂直回收呢?

长征八号总师宋征宇指出,我们的回收跟SpaceX、蓝色起源不太一样,他们的火箭是慢慢地倒车入库,而我们的回收则是漂移入库。

长征-8R起飞级配置的YF-液氧煤油发动机可以在75%至%之间实现推力调节,但这其实并不够,因此我们采用集束式方案回收,增大箭体回收重量,就可以抵消发动机深度变推问题。

YF-液氧煤油发动机变推力试车

这也是一箭双雕的事情,集束式回收一方面最大限度回收起飞级箭体,另一方面也减轻了发动机变推压力。

来看看长征-8R起飞级是怎么漂移入库的,主要包括上升段、滑行调姿段、动力减速段、气动减速段、垂直下降段五大阶段。

上升段:起飞级点火升空、助推器与芯一级先后关机,结束上升段进入滑行调姿段;

上升段

滑行调姿段:通过布置在助推器顶部的RCS姿控喷管实现姿态控制;

滑行调姿段

动力减速段:当下落速度明显加快,在即将进入稠密大气层时发动机点火制动减速,同步进行弹道轨迹修正以确保落点精度;

动力减速段

气动减速段:发动机关机后进入气动减速段,此一阶段主要利用火箭底部平板结构与大气摩擦减速,同时栅格舵参与姿态控制;

气动减速段

垂直下降段:当抵达指定高度与速域后发动机再次开机制动减速并进行节流控制,同步展开着陆机构,直至着陆。

垂直下降段

长征-8R预计到年可实现起飞级垂直回收复用,而这只是第一步,按照计划长征七号甲也将更换为性能更优的YF-K泵后摆液氧煤油发动机,芯二级更换为YF-M发动机,加之该箭原本就应用了起飞级集束式分离技术,先天具有回收复用潜力,只要有需求也可以复制长征-8R回收方案。

长征-8R缓冲着陆支撑机构

同一时期我们还在推进近地轨道运力超过70吨的新一代载人火箭,它将于5年内首飞,该型火箭后续也将具备起飞级垂直回收复用功能。

组合动力空天飞机风洞分离测试

针对进入空间运输载具回收复用需求我们布局了三条并行发展的技术路线,分别是两级带翼火箭垂直起飞/水平滑跑着陆、运载火箭起飞级垂直回收复用/整箭回收复用、组合动力两级空天飞机,前两条技术线5年内都可以梦想照进现实,空天飞机也将在十年后逐步成为现实,届时我们的空间进入能力将再上几个大台阶。



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