12月10日9時(shí)58分,我國(guó)在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心使用長(zhǎng)征二號(hào)丁運(yùn)載火箭,成功將遙感三十九號(hào)衛(wèi)星發(fā)射升空。至此,中國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭的發(fā)射次數(shù)正式刷新為“500”,而這距離第400次發(fā)射,才大約兩年時(shí)間。
長(zhǎng)征火箭發(fā)射“加速度”見證了中國(guó)航天取得的傲人成就,北斗導(dǎo)航衛(wèi)星、中國(guó)空間站三個(gè)艙、嫦娥系列月球探測(cè)器、天問一號(hào)火星探測(cè)器等“國(guó)之重器”均由長(zhǎng)征火箭送入太空。今天就讓我們來回顧一下,這些年來長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭創(chuàng)造了哪些輝煌,未來,為助力打造航天強(qiáng)國(guó),它還有哪些新目標(biāo)。
鑄就世界一流的運(yùn)載火箭“國(guó)家隊(duì)”
一個(gè)國(guó)家航天事業(yè)的發(fā)展離不開火箭,因?yàn)榛鸺悄壳拔ㄒ荒苁刮矬w達(dá)到宇宙速度,克服或擺脫地球引力,進(jìn)入宇宙空間的運(yùn)載工具。運(yùn)載火箭的能力,決定了國(guó)家航天活動(dòng)的規(guī)模。因此,世界上的航天大國(guó)均把發(fā)展先進(jìn)的運(yùn)載技術(shù)作為保持其領(lǐng)先地位的戰(zhàn)略部署之一。我國(guó)也不例外,重點(diǎn)發(fā)展了長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭,它們?yōu)橹袊?guó)航天的飛速發(fā)展立下了汗馬功勞。
去年,中國(guó)航天發(fā)射次數(shù)達(dá)到64次,超越2021年的55次,再創(chuàng)歷史新高。其中,作為運(yùn)載火箭“國(guó)家隊(duì)”的長(zhǎng)征系列火箭年發(fā)射53次,發(fā)射成功率達(dá)百分之百。今年,長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭又捷報(bào)頻傳,例如,僅長(zhǎng)征二號(hào)D火箭就成功將41顆衛(wèi)星發(fā)射升空,刷新了中國(guó)“一箭多星”的最高紀(jì)錄。
幾十年來,通過幾代中國(guó)火箭人的不懈努力,長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭走過了從常溫推進(jìn)到低溫推進(jìn)、從串聯(lián)到串并聯(lián)、從低軌到極軌和高軌、從“一箭一星”到“一箭多星”、從發(fā)射人造地球衛(wèi)星到發(fā)射載人航天器和空間探測(cè)器、從陸射到海射等非凡的技術(shù)歷程。目前,長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭已具備發(fā)射低、中、高不同軌道和不同類型載荷的運(yùn)載能力,在火箭推力、發(fā)射頻度、入軌精度、適應(yīng)能力和發(fā)射成功率等方面均已達(dá)到了世界一流火箭的水平。
從1970年首飛至今年年底,長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭先后有22型基礎(chǔ)級(jí)火箭和5型上面級(jí)火箭投入使用。早期的長(zhǎng)征系列火箭是從彈道導(dǎo)彈改進(jìn)而來的,我國(guó)大約研制和發(fā)射了14種型號(hào)。后來,面對(duì)不斷增長(zhǎng)的空間資源開發(fā)需求以及日益激烈的商業(yè)發(fā)射市場(chǎng),我國(guó)在不斷改進(jìn)原有火箭并提高推力和可靠性的同時(shí),又開發(fā)出8種型號(hào)的新一代小型、中型和大型長(zhǎng)征系列火箭。
總的來看,新一代長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭是以可靠性、安全性和經(jīng)濟(jì)性等為主要設(shè)計(jì)原則,采用無毒環(huán)保、價(jià)格便宜、比沖較高的液氫/液氧或液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)以及大直徑、少級(jí)數(shù)等方案,成倍地提高了火箭運(yùn)載能力,降低了成本,提高了發(fā)射成功率。
至今,我國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭已發(fā)射幾百顆各類人造地球衛(wèi)星,以及鼎鼎大名的17艘“神舟”系列飛船、6艘“天舟”系列貨運(yùn)飛船、2座空間實(shí)驗(yàn)室、3個(gè)空間站艙段、6個(gè)“嫦娥”月球探測(cè)器、1個(gè)“天問”火星探測(cè)器。
“元老”火箭助力低高極軌道航天器
長(zhǎng)征一號(hào)、二號(hào)子系列、三號(hào)子系列、四號(hào)子系列火箭是較早從彈道導(dǎo)彈改進(jìn)而來的運(yùn)載火箭,現(xiàn)在這些“元老”仍是用于發(fā)射低軌道、高軌道和極軌道航天器的主力。
在發(fā)射低軌道航天器方面,我國(guó)主要使用長(zhǎng)征二號(hào)子系列在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。該系列采用兩級(jí)或兩級(jí)半(并聯(lián)在第一級(jí)的助推器算半級(jí))構(gòu)型,推進(jìn)劑采用常溫的偏二甲肼/四氧化二氮。長(zhǎng)征二號(hào)C、二號(hào)D、二號(hào)F運(yùn)載火箭目前仍在使用。其中,長(zhǎng)征二號(hào)F是我國(guó)第一種,也是目前唯一一種載人運(yùn)載火箭,其發(fā)射載人飛船時(shí)的低軌道運(yùn)載能力為8.1噸,我國(guó)現(xiàn)已靠它發(fā)射了17艘“神舟”系列飛船,成功率為100%。
在發(fā)射高軌道航天器方面,我國(guó)主要使用長(zhǎng)征三號(hào)子系列在西昌衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。該系列采用三級(jí)或三級(jí)半構(gòu)型,其第一和第二級(jí)助推器都采用的是常溫推進(jìn)劑,第三級(jí)采用了液氧/液氫低溫推進(jìn)劑。目前,長(zhǎng)征三號(hào)A、三號(hào)B、三號(hào)C運(yùn)載火箭仍在使用。其中,長(zhǎng)征三號(hào)B在長(zhǎng)征三號(hào)A的第一級(jí)并聯(lián)了4個(gè)助推器,其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為5.55噸,是目前我國(guó)發(fā)射高軌道航天器的主力火箭。
在發(fā)射極軌道航天器方面,我國(guó)主要使用長(zhǎng)征四號(hào)子系列在太原衛(wèi)星發(fā)射中心發(fā)射。該系列全部采用三級(jí)構(gòu)型,推進(jìn)劑均為常溫的偏二甲肼/四氧化二氮。其中,長(zhǎng)征四號(hào)A、四號(hào)B、四號(hào)C運(yùn)載火箭目前仍在使用。
通常,運(yùn)行在距地面200-2000千米高的航天器叫低軌道航天器,運(yùn)行在距地面20000千米高以上的航天器叫高軌道航天器。而極軌道是指傾角大約為90°的人造地球衛(wèi)星軌道。目前,我國(guó)大多數(shù)通信衛(wèi)星、部分氣象衛(wèi)星、導(dǎo)航衛(wèi)星運(yùn)行在距離地球赤道上空大約36000千米的地球同步軌道,所以需要先用長(zhǎng)征三號(hào)A系列火箭把它們發(fā)射到地球同步轉(zhuǎn)移軌道,然后通過衛(wèi)星自身動(dòng)力變軌,最后定點(diǎn)在預(yù)定的地球同步軌道或地球靜止軌道上。
小型火箭適應(yīng)新發(fā)展成發(fā)射“快手”
為了適應(yīng)當(dāng)今世界運(yùn)載火箭“無毒、無污染、低成本、高可靠、大推力、適應(yīng)性強(qiáng)、安全性好、可重復(fù)使用”的發(fā)展趨勢(shì),我國(guó)從2015年起開始陸續(xù)研制、發(fā)射長(zhǎng)征五號(hào)、五號(hào)B、六號(hào)、六號(hào)A、七號(hào)、七號(hào)A、八號(hào)、十一號(hào)等新一代大型、中型和小型運(yùn)載火箭。其中,長(zhǎng)征六號(hào)、六號(hào)A、十一號(hào)是新一代小型火箭。
我國(guó)新一代長(zhǎng)征小型液體運(yùn)載火箭的“優(yōu)等生”是2015年9月20日首次成功發(fā)射的長(zhǎng)征六號(hào),它采用三級(jí)構(gòu)型,可將1噸的有效載荷發(fā)射到700千米高度太陽同步軌道。其第一級(jí)直徑3.35米,首發(fā)時(shí)采用了1臺(tái)首次使用的、最大推力為120噸的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī),這也為此后發(fā)射的長(zhǎng)征五號(hào)、七號(hào)等新型火箭使用120噸液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)奠定了基礎(chǔ);其第二和第三級(jí)直徑均為2.25米, 分別裝有1臺(tái)液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和1臺(tái)常溫推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)。長(zhǎng)征六號(hào)的優(yōu)點(diǎn)之一就是高效,發(fā)射準(zhǔn)備周期僅需7天,能很好地適應(yīng)衛(wèi)星發(fā)射低成本、短周期的需求。在此基礎(chǔ)上,我國(guó)又發(fā)展了推力更大的長(zhǎng)征六號(hào)A。
另外,緊隨長(zhǎng)征六號(hào)之后首次成功發(fā)射的長(zhǎng)征十一號(hào)火箭,是全新的四級(jí)小型固體運(yùn)載火箭,可把500千克的有效載荷發(fā)射到500千米高度太陽同步軌道,200千米低軌道運(yùn)載能力可達(dá)700千克。
作為“長(zhǎng)征”家族中第一型和唯一型固體火箭,長(zhǎng)征十一號(hào)具有“快速、可靠、便捷、低廉”的優(yōu)勢(shì),實(shí)現(xiàn)了我國(guó)運(yùn)載火箭24小時(shí)快速發(fā)射的跨越。另外,它也經(jīng)常在海上發(fā)射,有效地解決了火箭航區(qū)和殘骸落區(qū)安全性等問題,為中國(guó)航天發(fā)射提供了新的發(fā)射模式。
中型火箭創(chuàng)新填補(bǔ)軌道運(yùn)載能力空白
我國(guó)中型火箭屢次創(chuàng)新,填補(bǔ)了高、極軌道運(yùn)載能力的空白,助推器相關(guān)技術(shù)水平更是國(guó)際領(lǐng)先。
2016年6月25日,長(zhǎng)征七號(hào)新一代中型運(yùn)載火箭首次發(fā)射成功。它采用兩級(jí)半構(gòu)型,目前主要用于在文昌發(fā)射場(chǎng)發(fā)射13.5噸的“天舟”系列貨運(yùn)飛船。長(zhǎng)征七號(hào)把常溫發(fā)動(dòng)機(jī)換成了新研制的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī),從而把低軌道運(yùn)載能力迅速提高到約14噸,且所用推進(jìn)劑綠色環(huán)保,平均成本不到常溫推進(jìn)劑的1/10。
同時(shí),它還是我國(guó)首枚采用全數(shù)字化手段研制的火箭,在全研制流程沒有一張紙質(zhì)圖紙,大大降低了成本,減小了產(chǎn)品報(bào)廢率,壓縮了研制流程。在試驗(yàn)、裝配階段,科研人員應(yīng)用了“虛擬現(xiàn)實(shí)技術(shù)”,對(duì)火箭進(jìn)行虛擬裝配、虛擬試驗(yàn),提前預(yù)見可能發(fā)生的問題,確保了火箭試驗(yàn)、裝配“一次成”。它還有防水、防風(fēng)、防鹽霧等功能,可以在8級(jí)大風(fēng)的情況下進(jìn)行垂直轉(zhuǎn)運(yùn),哪怕遭遇中雨也能發(fā)射。
在此基礎(chǔ)上,長(zhǎng)征七號(hào)A火箭加裝了長(zhǎng)征三號(hào)A火箭的第三級(jí),主要用于地球同步軌道衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為7噸,填補(bǔ)了我國(guó)高軌道5.5-7噸運(yùn)載能力的空白。它還有一項(xiàng)重要的技術(shù)創(chuàng)新,就是助推器不用單獨(dú)分離,而是和芯一級(jí)作為一個(gè)整體與芯二級(jí)分離,這樣便可以減少一套分離機(jī)構(gòu),從而大幅降低分離系統(tǒng)的復(fù)雜性,提升火箭的可靠性和經(jīng)濟(jì)性,這在國(guó)際上尚屬首次。
2020年12月22日首次發(fā)射成功的長(zhǎng)征八號(hào),則是我國(guó)兩級(jí)半新一代中型商業(yè)極軌道運(yùn)載火箭。它由長(zhǎng)征七號(hào)的第一級(jí)加上長(zhǎng)征三號(hào)A的第三級(jí)組成,能將5噸的有效載荷送入700千米太陽同步軌道,填補(bǔ)了我國(guó)極軌道3-4.5噸運(yùn)載能力的空白。
明星“胖五”致力于發(fā)射大型航天器
在長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭中,知名度最高的要屬有“胖五”之稱的長(zhǎng)征五號(hào)。
2016年11月3日,長(zhǎng)征五號(hào)新一代大型運(yùn)載火箭首次發(fā)射成功。它采用兩級(jí)半構(gòu)型,最大特點(diǎn)是芯級(jí)直徑為5米,而其他長(zhǎng)征火箭的最大直徑僅為3.35米。長(zhǎng)征五號(hào)的芯一級(jí)裝有2臺(tái)可雙向搖擺、推力均為50噸的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī),還并聯(lián)了4個(gè)各裝有2臺(tái)推力均為120噸的液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的助推器;其芯二級(jí)直徑為5米,裝有2臺(tái)推力均為9噸的液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。
有這樣魁梧的“身軀”,個(gè)大力不虧,長(zhǎng)征五號(hào)火箭的運(yùn)載能力自然超群,它的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為14噸,地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為8噸,地火轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為5噸,綜合性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際上主流運(yùn)載火箭水平,截至目前已成功發(fā)射了嫦娥五號(hào)月球采樣返回探測(cè)器、天問一號(hào)火星探測(cè)器等大型航天器。
總結(jié)長(zhǎng)征五號(hào)的亮點(diǎn)主要有兩個(gè):一是其芯一級(jí)用的50噸液氫/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)處于國(guó)際先進(jìn)水平;二是首次采用了5米直徑大型箭體結(jié)構(gòu),可以多裝推進(jìn)劑,增加推力。
在長(zhǎng)征五號(hào)基礎(chǔ)上發(fā)展而來的長(zhǎng)征五號(hào)B火箭于2020年5月5日首發(fā)成功,它用于發(fā)射低軌道大型航天器。其低軌道運(yùn)載能力為25噸,現(xiàn)已把我國(guó)空間站的三個(gè)艙段送上了太空。長(zhǎng)征五號(hào)B火箭的整流罩是目前我國(guó)最大的,專為裝載空間站艙段量身打造,其長(zhǎng)度為20.5米,比長(zhǎng)征五號(hào)的整流罩還長(zhǎng)8米。另外,它可以大推力直接入軌,是目前世界現(xiàn)役火箭中唯一采用一級(jí)半構(gòu)型的火箭。
提高的不僅是頻率還有整體發(fā)射能力
從1970年4月24日長(zhǎng)征一號(hào)運(yùn)載火箭成功首飛開始,長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)第一個(gè)100次發(fā)射用了37年;第二個(gè)100次發(fā)射用時(shí)7年多;第三個(gè)100次發(fā)射用時(shí)4年多;第四個(gè)100次發(fā)射用時(shí)2年零9個(gè)月;而如今實(shí)現(xiàn)第5個(gè)100次發(fā)射僅用約兩年時(shí)間。
在長(zhǎng)征火箭高密度發(fā)射的背后,提高的不僅是發(fā)射頻率,還有整體發(fā)射能力,更是航天科技勇攀高峰、自立自強(qiáng)的體現(xiàn)。今后,我國(guó)還將研制、發(fā)射智慧運(yùn)載火箭、可重復(fù)使用運(yùn)載火箭、長(zhǎng)征十號(hào)新一代載人運(yùn)載火箭和長(zhǎng)征九號(hào)重型運(yùn)載火箭等更先進(jìn)的新型運(yùn)載火箭。
例如,正在研制的長(zhǎng)征十號(hào)是為發(fā)射我國(guó)新一代載人飛船而全新研制的新一代載人火箭。它全長(zhǎng)約90米,起飛重量約2000噸,可以將25噸有效載荷直接送入地月轉(zhuǎn)移軌道,或者將70噸有效載荷送入近地軌道。長(zhǎng)征十號(hào)是按照載人飛行的最高安全標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)的,可用于載人月球探測(cè),有望快速推動(dòng)我國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)的提升和跨越。
正在研制的長(zhǎng)征九號(hào)重型運(yùn)載火箭是我國(guó)目前運(yùn)載能力最大的一型火箭,綜合性能指標(biāo)達(dá)到國(guó)際運(yùn)載火箭的先進(jìn)水平,任務(wù)規(guī)劃將于2030年前后實(shí)現(xiàn)首飛。它可以滿足未來較長(zhǎng)時(shí)期國(guó)內(nèi)深空探測(cè)、月球基地和太空電站等國(guó)家重大科技活動(dòng)的任務(wù)需求。該火箭采用三級(jí)串聯(lián)構(gòu)型,箭體直徑達(dá)到10米級(jí),具備第一級(jí)可重復(fù)使用能力,低軌道運(yùn)載能力為150噸、地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為50噸、地火轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力為35噸,預(yù)計(jì)能大幅提升我國(guó)進(jìn)入空間和開發(fā)利用空間資源的規(guī)模和能力。
中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院高級(jí)顧問龍樂豪院士表示,長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)500次發(fā)射可用5句話來概括:“從無到有,更高更遠(yuǎn),脫胎換骨,大國(guó)重器,更快更好。”站在500次發(fā)射的新起點(diǎn)上,今后我國(guó)火箭將向更大運(yùn)載能力、可重復(fù)使用、智慧火箭、航班化運(yùn)輸方向發(fā)展,為建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)繼續(xù)貢獻(xiàn)力量。
(作者為全國(guó)空間探測(cè)技術(shù)首席科學(xué)傳播專家)
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