探尋長(zhǎng)征七號(hào)的“新”意

6月25日晚，長(zhǎng)征七號(hào)火箭首飛成功，鳴響了我國(guó)載人航天工程空間實(shí)驗(yàn)室任務(wù)的“發(fā)令槍”，也標(biāo)志著我國(guó)在載人航天工程和新一代運(yùn)載火箭研制中取得了重大突破。

長(zhǎng)征七號(hào)是為滿足我國(guó)載人空間站工程發(fā)射貨運(yùn)飛船需求，以及未來(lái)載人運(yùn)載火箭更新?lián)Q代的長(zhǎng)遠(yuǎn)需求，全新研制的新一代中型運(yùn)載火箭。該火箭采用“兩級(jí)半”構(gòu)型，總長(zhǎng)53.1米，芯級(jí)直徑3.35米，捆綁4個(gè)2.25米的助推器，起飛重量597噸，運(yùn)載能力將達(dá)到近地軌道13.5噸、太陽(yáng)同步軌道5.5噸，達(dá)到國(guó)外同類火箭先進(jìn)水平。預(yù)計(jì)到2021年左右，長(zhǎng)征七號(hào)將逐步替代大部分現(xiàn)役運(yùn)載火箭，承擔(dān)更多航天發(fā)射任務(wù)。

“從組建隊(duì)伍開始，長(zhǎng)征七號(hào)‘8年磨一劍’。”航天科技集團(tuán)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院長(zhǎng)征七號(hào)火箭副總指揮張濤說(shuō)，該火箭采用了新動(dòng)力、新布局、新結(jié)構(gòu)……一連串“新”字，代表了對(duì)過去的突破，也意味著全新的挑戰(zhàn)。

設(shè)計(jì)從“連環(huán)畫”變成“3D電影”

長(zhǎng)征七號(hào)是首個(gè)揭開神秘面紗的“數(shù)字火箭”，它采用全數(shù)字化手段完成研制，突破了三維協(xié)同設(shè)計(jì)、三維設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)管理及基于三維的流程仿真、飛行綜合性能仿真等多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，打通了從設(shè)計(jì)到制造的全三維流程。火箭在全研制流程中沒有一張紙質(zhì)圖紙，研制團(tuán)隊(duì)稱其設(shè)計(jì)從紙質(zhì)“連環(huán)畫”變成了“3D電影”。

在生產(chǎn)加工階段，該火箭實(shí)現(xiàn)了“一鍵式”加工。過去加工某金屬零部件，先要根據(jù)二維圖紙畫出工序草圖，手工編制工藝規(guī)程，然后進(jìn)行車、銑、鏜等系列工序。如今從原材料變?yōu)槌善罚恍璋磩?dòng)數(shù)控機(jī)床按鈕即可完成，且合格率達(dá)100%。

在試驗(yàn)、裝配階段，該火箭應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”，可實(shí)現(xiàn)虛擬裝配、虛擬試驗(yàn)，模擬火箭實(shí)際裝配和試驗(yàn)環(huán)境，提前預(yù)見可能發(fā)生的問題，確保火箭試驗(yàn)、裝配一次成功。長(zhǎng)征七號(hào)的研制成功，代表了我國(guó)運(yùn)載火箭研制的最高水平，使我國(guó)新一代運(yùn)載火箭的數(shù)字化設(shè)計(jì)能力躋身國(guó)際先進(jìn)行列。

新動(dòng)力高效環(huán)保

采用我國(guó)具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的兩種新型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，不僅綠色環(huán)保，而且提高了火箭性能，平均成本僅為常規(guī)推進(jìn)劑的十分之一。

張濤介紹說(shuō)，過去我國(guó)單臺(tái)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力為75噸，而長(zhǎng)征七號(hào)發(fā)動(dòng)機(jī)的推力達(dá)到120噸，提升了約60%。

同時(shí)，傳統(tǒng)火箭需要在發(fā)射前幾小時(shí)內(nèi)加注燃料，而長(zhǎng)征七號(hào)經(jīng)過專門的設(shè)計(jì)和演練，加注的低溫燃料可以安全停放24小時(shí)，創(chuàng)下了低溫燃料停放時(shí)間最長(zhǎng)紀(jì)錄，可為火箭的成功發(fā)射爭(zhēng)取更多有利時(shí)間。

新結(jié)構(gòu)帶來(lái)更多挑戰(zhàn)

長(zhǎng)征七號(hào)的外形和我國(guó)現(xiàn)有的火箭體型差別不大，但為了儲(chǔ)存更多的燃料，提供更強(qiáng)的動(dòng)力，它的助推器長(zhǎng)約27米，接近現(xiàn)役火箭助推器長(zhǎng)度的兩倍，而這種改變也要求對(duì)火箭的設(shè)計(jì)進(jìn)行全面更新。

傳統(tǒng)火箭固定助推器需要兩個(gè)捆綁點(diǎn)，而長(zhǎng)征七號(hào)又增加了一個(gè)捆綁點(diǎn)，載荷、捆綁裝置等設(shè)計(jì)難度大大增加，但可靠性大幅提升。

復(fù)雜的結(jié)構(gòu)也給長(zhǎng)征七號(hào)控制系統(tǒng)帶來(lái)了全新挑戰(zhàn)。為了更精確地控制飛行過程，該火箭控制系統(tǒng)和增壓系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了冗余。控制系統(tǒng)創(chuàng)新采用了143項(xiàng)智能控制軟件，達(dá)到現(xiàn)役火箭軟件使用量的30倍，大大提高了控制精度。火箭每個(gè)艙段都裝有控制系統(tǒng)，改變了以往集中處理的方式，減輕了控制系統(tǒng)壓力，同時(shí)標(biāo)志著我國(guó)火箭控制系統(tǒng)向全面數(shù)字化控制模式發(fā)展。

大量改進(jìn)對(duì)抗“風(fēng)雨”

海南發(fā)射場(chǎng)氣候潮濕，降水量大，全年12小時(shí)內(nèi)降水5～15毫米的中雨較多。長(zhǎng)征七號(hào)研制之初，設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)就將防水工作列為重中之重。他們?cè)诨鸺慷螌?duì)接處、細(xì)小的孔徑和縫隙處，都做了防水處理；在排氣孔處，設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了排氣防水雙功能并舉；針對(duì)低溫液體貯箱加注后無(wú)法避免的冷凝水聚集問題，開設(shè)了排水孔。“但到合練以后，很多控制系統(tǒng)、測(cè)量系統(tǒng)還是有潮氣從插頭處進(jìn)去。一旦火箭出現(xiàn)漏電、短路，將構(gòu)成巨大威脅。”張濤說(shuō)，任務(wù)團(tuán)隊(duì)為此開展了大量改進(jìn)工作。

同時(shí)，海南發(fā)射場(chǎng)的淺層風(fēng)也是內(nèi)陸所沒有的，而且風(fēng)力較大，最高風(fēng)速可達(dá)每秒25米左右，大大超出了火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)的承受極限。通過改進(jìn)，長(zhǎng)征七號(hào)已能在每秒20米風(fēng)速下完成轉(zhuǎn)場(chǎng)。

除了能適應(yīng)海南發(fā)射場(chǎng)的氣候環(huán)境，長(zhǎng)征七號(hào)沿用了長(zhǎng)征火箭家族3.35米直徑的設(shè)計(jì)，也可以通過陸路運(yùn)往內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)，適應(yīng)能力更強(qiáng)。

新三垂模式讓發(fā)射更簡(jiǎn)便

火箭在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行的垂直總裝、垂直測(cè)試、垂直轉(zhuǎn)場(chǎng)，被稱為“三垂模式”。

現(xiàn)役火箭中采用的三垂模式，其箭地連接工作在技術(shù)區(qū)和發(fā)射區(qū)要進(jìn)行兩次，而長(zhǎng)征七號(hào)采用的新三垂模式，僅一次對(duì)接就可以完成工作，狀態(tài)的一致性更好。同時(shí)前端地面測(cè)發(fā)控設(shè)備在技術(shù)區(qū)進(jìn)行了充分測(cè)試，轉(zhuǎn)至發(fā)射區(qū)以后出現(xiàn)故障的概率更低，有效提高了發(fā)射的可靠性。這也縮短了發(fā)射工作時(shí)間，降低了火箭轉(zhuǎn)場(chǎng)后遇到惡劣天氣再返回技術(shù)區(qū)情況的發(fā)生概率。

近期載貨，遠(yuǎn)期載人

作為新一代中型運(yùn)載火箭，長(zhǎng)征七號(hào)將開啟我國(guó)航天任務(wù)的全新階段，應(yīng)用前景十分廣闊。

該火箭完成首飛任務(wù)之后，下一步將承擔(dān)我國(guó)首個(gè)空間貨運(yùn)飛船——天舟一號(hào)的發(fā)射，為我國(guó)長(zhǎng)期有人照料的空間站搭建起天地運(yùn)輸走廊。通過一定子樣的飛行考核驗(yàn)證后，還將具備執(zhí)行載人飛船發(fā)射任務(wù)的能力。

此外，通過簡(jiǎn)單的適應(yīng)性改造，該火箭在短期內(nèi)即可具備發(fā)射高、中、低軌各種應(yīng)用衛(wèi)星的能力，以滿足當(dāng)前國(guó)內(nèi)外主流衛(wèi)星發(fā)射市場(chǎng)的迫切需求，成為中國(guó)航天面向市場(chǎng)化、國(guó)際化的主力火箭和金牌火箭。

預(yù)計(jì)到2021年左右，長(zhǎng)征七號(hào)各項(xiàng)技術(shù)趨于穩(wěn)定時(shí)，將承擔(dān)我國(guó)80%左右的發(fā)射任務(wù)。