长征七号,走你!
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
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。


【1】可以看到滚滚的四氧化二氮的红烟,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。


【2】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。


【3】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。


【4】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,则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。


【5.1】“天舟”货运飞船的效果图以及其实际的货舱段

【5.1】“天舟”货运飞船的效果图以及其实际的货舱段

除了文昌鸡,文昌还有卫星发射中心
  而这次长征七号的成功发射,也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.众所周知,纬度越低,地球自转的线速度越快,而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。


【6.1】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。


【6.2】长征七号在天津港打包装箱,目的地:文昌

  3.火箭的发射方向也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。


【6.3】文昌卫星发射中心

  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,真是让人嫉妒啊……


【7.1】位于卡拉维纳尔角的肯尼迪航天中心,右边就是大西洋

【7.2】欧空局的库鲁航天中心,上面的加勒比海清晰可见

  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。在去年的长征六号的发射,也采取了这样的技术,甚至做的更进一步——直接用发射车转运。


【8】转运车的轮子呢Σ( °△°|||)︴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,转运工作就相当的危险了。这对于火箭的发射准备也是比较不利的。


【9】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。而随着技术的进步,现在的发射塔已经只有固定与燃料加注的职能,这样就能做的很轻,让连箭带架的转运成为了可能,从而减少了对转运环境条件的要求。当然由于发射塔实在是不能轻易废弃,而且组装厂房到发射塔的转运轨道是固定的,于是另外三个发射中心的火箭就享受不到这种待遇了。


【10】你可以想到整个脐带塔从组装间里头出来的样子了吗?

  打一枚火箭也是一件比较烧钱的事情,不借这个机会带一点载荷简直对不起它。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。


【11】新式载人飞船的设计图,看到有什么不同了吗?

  我国现在使用的神舟载人飞船,已经让大家所熟知了。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,于是也设计了三个舱室。


【12】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。


【13】新的载人飞船更接近美国的飞船,一股西方的气息……

  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。特别的,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的更大,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。

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