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石豪:长征八号——中国运载火箭换代进行时

石豪

石豪

科研工作者、航空航天观察者 来源:观察者网 2020-12-24 08:36:56

【文/观察者网专栏作者 石豪】

北京时间12月22日12时37分,长征八号运载火箭自文昌航天发射场发射升空,将新技术试验卫星等多颗卫星送入太阳同步轨道。

这次发射,不仅象征着中国新一代运载火箭的全面亮相,也标志着“十三五”规划期间中国航天的新一代火箭发射任务圆满收官。

中国航天2020年的“One more thing”

史蒂夫·乔布斯还在世的时候,不仅苹果手机还附送充电器,他在年度发布会上的“One more thing”(还有一件事),更是被人津津乐道,新一代macbook等众多明星产品都在“One more thing”环节闪亮登场。

“One more thing……” (图/苹果发布会)

长征八号,就是2020年中国航天带来的“One more thing”。

长征八号运载火箭(图/中国航天科技集团)

中国航天是全面发展的,既有探索未知的空间探测器,也有保障人民生产生活的应用卫星。除去建设周期长的导航星座外,目前大量投入使用的主要是运行在地球静止轨道的通信卫星,和太阳同步轨道的遥感卫星。

地球静止轨道与太阳同步轨道(图/NOAA SciJinks)

地球静止轨道我们很熟悉了,在赤道上空35786千米高度,卫星的轨道周期与地球自转周期一致,从地面看来卫星是高悬于赤道之上静止不动的。

太阳同步轨道则要复杂一些。卫星在自己的轨道平面上绕地球旋转,而地球也在绕太阳公转。如果没有扰动的话,卫星的轨道平面在太空中的方向是不会变的——也就是说,卫星的轨道面与日地连线的夹角会随着地球公转而不断改变,就像下图中紫红色的轨道一样:

但对于给地球拍照的遥感卫星来说并不合适,因为轨道面与太阳夹角的改变,意味着拍照时太阳光的方向改变,这给卫星照片的判读处理平添了许多麻烦。

而太阳同步轨道设计的关键,恰恰就在“扰动”上。

如果地球是一个质量分布均匀的完美球体,那对于卫星的运行几乎没有扰动,可地球偏偏是一个“扁球体”,赤道直径比南北极直径大一些,这就对卫星的运行增添了一些额外干扰。利用这种干扰,我们可以设计出一种轨道,让卫星每转一圈,轨道面都偏转一点,偏转的速度恰好是地球绕太阳公转的角速度:每天0.9856度。

轨道面跟着太阳的方向同步转动,这就是“太阳同步轨道”。

太阳同步轨道 (图/旧金山州立大学)

太阳同步轨道很独特,它的轨道倾角大于90度,卫星运行方向与地球自转方向相反,是所谓的“逆行轨道”。因此地球自转速度对于发射非但没有帮助,反而是一种阻碍。

之前,我们都是采用长征二号丙/丁,或者长征四号乙/丙火箭执行太阳同步轨道发射任务,700千米太阳同步轨道运力可以达到3吨,再大就力不从心了。所以今年12月6日,我们在西昌用运载能力更强的长征三号乙火箭发射高分十四号卫星,而长三乙一直是用于发射地球静止轨道卫星的,“临时客串”并不是常态。

长征八号火箭,为改变这种现状而来。

火箭也要“新陈代谢”

在我们的印象中,中国航天是由长征二号、三号、四号三个大型号的运载火箭撑起来的。

从主攻低轨的长征二号系列,到包揽地球静止轨道的长征三号系列,再到专注太阳同步轨道的长征四号系列,老一代长征火箭在过去的半个世纪里以极高的可靠性完成了超过300次发射。

“老长征”能够取得巨大成功,与YF-20系列液体火箭发动机密不可分。YF-20采用偏二甲肼燃料,四氧化二氮作为氧化剂,能够产生70吨级的推力。由YF-20演化而来的多型发动机,被长征二号、三号和四号系列火箭所采用,安装在一级、二级和助推器上。

YF-20系列发动机(图/互联网)

可以说,中国航天的发展,乃至我国战略反击力量的担子,都长期压在YF-20肩上,YF-20以一己之力撑起了长征火箭的辉煌历史。

不过,以现在的眼光来看,YF-20系列发动机在技术上并不先进,甚至还很落后。性能指标无法与国际领先水平相提并论不说,采用的偏二甲肼燃料有剧毒,氧化剂四氧化二氮更是有极强的腐蚀性,一旦吸入将对呼吸道和肺部造成极为严重且不可逆的损伤。

新一代发动机的研制迫在眉睫,长征火箭也要推陈出新。

因此,才有了长征五号、六号、七号、八号火箭的腾飞。这四个大型号,编成了新一代液体燃料长征火箭的梯队。

新一代长征火箭(从左依次为长征六号、八号、七号、五号) (图/千龙网)

把这四个型号放在一起的原因也很简单,他们都采用了同一种发动机——YF-100。这是一种分级燃烧循环的液体火箭发动机,采用煤油为燃料,液氧为氧化剂。和YF-20的偏二甲肼/四氧化二氮相比,煤油/液氧无毒,更加安全可靠,发动机性能也更加优秀。

新一代长征火箭在论证之初就把“模块化”作为目标,通过设计不同直径的芯级和助推器模块并加以组合,令运载火箭的设计与生产更加简单就像搭积木一样。

因此长征八号火箭从立项到首飞仅用了三年时间,火箭是全新的,技术是提前规划、业已成熟的。

模块化的新一代长征火箭(图/龙乐豪 等)

从发射微小卫星的长征六号小型火箭,到发射重型地球静止轨道卫星的长征五号大型火箭,再到专精太阳同步轨道发射的长征八号中型火箭,只要“搭积木”就可以了,省时省力又省心。

这就是“模块化”的好处,也是长征火箭“新陈代谢”的一大动力。

我们需要什么样的火箭?

21世纪的第二个十年,是中国航天极速发展的十年。

在载人航天工程取得决定性胜利后,中国的应用卫星也开始进入井喷式发射阶段,多年前辛苦种下的种子,都在最近这十年内成长为参天大树,结出累累硕果。

长征火箭完成第一个100次发射,用了37年(1970.4.24—2007.6.1)。

第二个100次,用了7年半(2007.6.1—2014.12.7)。

第三个100次,仅用4年零3个月(2014.12.7—2019.3.10)。

最近十年中国航天的发射次数,超过之前四十年发射次数的总和。

不过,巨大且迫切的发射需求,对长征火箭的“新陈代谢”不一定都是利好。

冷战中,美苏太空军备竞赛是一场烧钱的游戏,但血拼过后,这两个超级大国留下的不止有财政赤字,更有领先于时代的航天技术和完备的空间基础设施体系。

换句话说,他们的卫星“打齐了”,后面需要的是维持和换代。

但对我们而言,就是人有我无的困境。因此空间基础设施的建设是必须的,我们要补课,也要发射很多卫星,并且进度最好不要拖延。

现在,摆在卫星研发团队面前的有两种火箭,一种是老而弥坚、久经考验的“老长征”,一种是性能先进、刚出襁褓的“新长征”。

巧的是,对于大多数亟待发射的卫星而言,新老长征火箭都能满足任务需求,都能把卫星送入预定轨道。

你研制的卫星对国家很重要,晚一天投入使用,对国家都是一种损失。

然后你惊奇地发现,老长征不仅经过大量飞行验证,还更便宜!

任何一个项目的经费都是有限的,时间也是有限的,发射失败从来不是一个可选项。

那么,是用“老长征”,还是“新长征”呢?

答案不言自明,除非“老长征”实在打不动,否则大家都会自然倾向于“老长征”。

“老长征”的代表:长三乙火箭 (图/中国日报)

所以,我们到底需要什么样的运载火箭?

运载火箭的职责,是将航天器送入预定轨道,可靠性永远是第一位的,在可靠的基础上还要尽可能便宜。

技术先进性?只是确保火箭可靠且便宜的手段,而不是目的。

只要能满足航天器的具体需求,把航天器打上去,用户不在乎选用技术多先进的火箭,不在乎火箭是用氢氧发动机还是偏二甲肼加四氧化二氮。

就算您烧豆油,烧无烟煤,用竹竿把卫星捅上天,只要能满足具体需求,就没有问题。

世界上第一颗人造地球卫星、第一枚月球探测器、第一名宇航员、第一次太空行走……这些壮举都是由苏联完成。

但令人意外的是,这些航天活动都是由衍生自同一种型号的运载火箭完成的——这就是世界上第一种洲际导弹R-7。

衍生自R-7导弹的苏联运载火箭系列(图/NASA)

60多年了,R-7该退役了吧?

非但没有,这位功勋火箭反而越活越年轻,甚至与欧洲人合作,不远万里来到法属圭亚那的库鲁航天中心发射。

联盟号运载火箭自库鲁发射(图/arianespace)

仅今年,基于R-7的各型联盟号运载火箭就已经发射了14次,全部取得成功。

R-7系列火箭的超长寿命,固然有苏联解体后俄罗斯航天投入下降、后劲不足的原因,但如果不是科罗廖夫天才般的设计,如果没有全系列近2000次发射保底,R-7恐怕很早就会被历史的长河淹没,自然淘汰掉。

但还有一层原因,俄罗斯手握液氧煤油发动机的巅峰之作RD-170系列,坐拥曾经起飞推力世界第一的能源号运载火箭。现在破落了不要紧,关键技术俄罗斯还是掌握的。

手上没有剑,和有剑不用,不是一回事。

长征八号也好,新一代长征火箭也好,它们肩负的使命绝不只是“增强运载能力”、“定位于商业发射”,甚至“搞回收复用”这么简单。

它们肩负着中国航天技术改革的重任。

面对复杂局势、复杂环境,更要保持战略定力,潜心深挖中国航天的技术池,咬定青山不放松。

我国火箭专家、载人航天工程总设计师王永志同志曾经这样说过:“我们已经实现了历史性的突破。但摆在我们面前的任务还很重,缩小差距、追踪世界先进技术,在航天高技术领域占有一席之地的任务,历史地落在了我们的肩上。”

一切愿意献身中国航天事业的人们,让我们勇敢地挑起这付担子吧。

参考文献

[1]胡其正, 杨芳. 宇航概论[M]. 中国科学技术出版社, 2010.

[2]龙乐豪, 李平岐, 秦旭东,等. 我国航天运输系统60年发展回顾[J]. 宇航总体技术, 2018.

[3]秦旭东, 龙乐豪, 容易. 我国航天运输系统成就与展望简[J]. 深空探测学报, 2016(04).

[4]胡海峰, 宋征宇, 孙海峰. 新型中型运载火箭控制系统架构及发展[J]. 导弹与航天运载技术, 2019(2).

[5]王永志. 长征运载火箭的系列化和商业化[J]. 中国航天, 1989, 000(009):10-14.

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作者
石豪

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李泠

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