長征八號(hào)首飛!雖然不是可回收款,但它的意義不止于此
發(fā)布時(shí)間:2020-12-22
出品:科普中國
制作:一顆青椒
監(jiān)制:中國科學(xué)院計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)信息中心

  在“長征五號(hào)”遙五火箭成功發(fā)射嫦娥五號(hào)探測器僅一個(gè)月后,文昌發(fā)射場201工位上又送走了一位名叫“長征八號(hào)”的客人。

   2020122212點(diǎn)37分,我國新一代運(yùn)載火箭長征八號(hào)在中國文昌航天發(fā)射場點(diǎn)火起飛,隨后順利將5顆衛(wèi)星送入預(yù)定軌道,首飛任務(wù)取得圓滿成功。

  

  長征八號(hào)運(yùn)載火箭起飛(宿東 攝)

  雖然她的體量沒有“長征五號(hào)”這么大,也就350噸出頭。但是,這火箭……是不是看著有點(diǎn)眼熟?如果你覺得她似曾相識(shí),那就對了。

長征八號(hào)的目標(biāo)不止SSO軌道和商業(yè)發(fā)射

  3.35米直徑配兩臺(tái)120噸級液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-100的芯一級、2.25米直徑配一臺(tái)YF-100的助推器、3米直徑配兩臺(tái)8噸級液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)YF-75的二級、4.2米直徑的整流罩……很顯然,這就是把“長征七號(hào)”運(yùn)載火箭的二級換成一個(gè)“長征三號(hào)甲”的氫氧三級,再去掉兩個(gè)助推器所形成的產(chǎn)物。

  

  “長征八號(hào)”火箭配置和運(yùn)載能力(圖源:論文《CZ-8:長征火箭系列商業(yè)化與智慧化的先行者》)

  “長征八號(hào)”系列火箭可以為低軌星座、低傾角衛(wèi)星、小型電推進(jìn)高軌衛(wèi)星等提供服務(wù),主要負(fù)責(zé)太陽同步軌道(SSO)載荷的發(fā)射任務(wù),可滿足大部分中大型有效載荷或多星組網(wǎng)的發(fā)射需求。

  那么,為什么我們要強(qiáng)調(diào)這個(gè)太陽同步軌道(SSO)?因?yàn)?b>只有處于這個(gè)軌道上運(yùn)行的衛(wèi)星,每天同一當(dāng)?shù)貢r(shí)間都能夠經(jīng)過同一個(gè)地點(diǎn),十分適合諸如農(nóng)業(yè)普查、天氣預(yù)報(bào)、資源勘探這種要每天特定時(shí)間對著某個(gè)地方看的需求。

  以往我國的SSO軌道發(fā)射任務(wù)幾乎都是“長征四號(hào)”系列運(yùn)載火箭的主場,其最大近3噸的SSO運(yùn)力還算不錯(cuò)。但隨著衛(wèi)星的重量和體積越來越大、功能越來越多、性能也越來越強(qiáng),“長征四號(hào)”系列運(yùn)載火箭開始力有不逮,因此需要更強(qiáng)的火箭。然而“長征七號(hào)”未來的發(fā)射任務(wù)已經(jīng)幾乎被“天舟”貨運(yùn)飛船任務(wù)填滿了,實(shí)屬分身乏術(shù),所以選擇讓“長征七號(hào)”專注于近地軌道的任務(wù),直接把原“長征七號(hào)”子型號(hào)之一單獨(dú)發(fā)展。這樣,我們就得到了一個(gè)SSO運(yùn)力達(dá)到4.5噸的火箭,也就是這次發(fā)射的“長征八號(hào)”。

  “長征八號(hào)”除了目標(biāo)軌道基本限定在SSO之外,還肩負(fù)著我國商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射的重要任務(wù),需要較低的發(fā)射成本提高競爭力。

  商業(yè)發(fā)射市場首先需要運(yùn)載火箭可以提供優(yōu)質(zhì)產(chǎn)品與服務(wù),要有較高的可靠性和安全性,其次發(fā)射服務(wù)價(jià)格自然是越低越好。除此之外,火箭還必須要“快”,這里的“快”指的是能對任務(wù)快速響應(yīng)、可以適應(yīng)種類繁多的發(fā)射任務(wù)、發(fā)射周期也要足夠短。最后火箭的產(chǎn)量還必須足夠,要不然就適應(yīng)不了商業(yè)發(fā)射中較高的發(fā)射密度。

  為了滿足商業(yè)發(fā)射高競爭力的需求,“長征八號(hào)”火箭會(huì)分為兩種配置:CZ-8/ZHCZ-8/RH,分別代表組合型和融合型。其中組合型是面向高附加值的衛(wèi)星發(fā)射;而融合型則面向競爭更為激烈的商業(yè)衛(wèi)星發(fā)射市場,發(fā)射成本更便宜、用起來更簡單、而且可靠性不減。為此,融合型“長征八號(hào)”火箭會(huì)在結(jié)構(gòu)工藝、電氣系統(tǒng)、測控系統(tǒng)上進(jìn)行大幅度簡化。

  除了為商業(yè)發(fā)射進(jìn)行較多改進(jìn)之外,她還將擁有別的長征火箭幾乎都無法完成的目標(biāo)——回收。

長征八號(hào)是如何實(shí)現(xiàn)回收功能的?

  長征七號(hào)立項(xiàng)后沒多久,美國Space X公司的獵鷹九號(hào)火箭異軍突起,將大多數(shù)人認(rèn)為天方夜譚的“火箭回收并復(fù)用”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)了,甚至還將回收的火箭一級重復(fù)使用了多達(dá)七次,大大降低了常規(guī)構(gòu)型火箭的發(fā)射成本。

  

  資料圖:獵鷹九號(hào)海上回收 圖源:維基百科

  看到“垂直回收”的火箭復(fù)用路子是走得通的,我國的可回收火箭計(jì)劃也開始提上日程。在目前這個(gè)老型號(hào)火箭已經(jīng)屬于期貨退役的時(shí)期,直接在新型號(hào)上予以應(yīng)用,是最合適的選擇。而“長征五號(hào)”主打重量級任務(wù),目前還是以追求可靠性為主,那么“長征七號(hào)”與“長征六號(hào)”火箭自然成為了選擇。

  對于“長征七號(hào)”而言,以“長征七號(hào)722HO)”構(gòu)型為基本型,另行開辟火箭型號(hào)(即“長征八號(hào)”系列運(yùn)載火箭),最終發(fā)展出可回收火箭(即“長征八號(hào)”的改型),從管理上來看,也是相當(dāng)合適的選擇。當(dāng)然,基于“長征六號(hào)”運(yùn)載火箭的可回收復(fù)用型號(hào),也在緊鑼密鼓地研制中,相信以后我們也能看到。

  火箭的復(fù)用并不是拍腦門想出來的,它需要一步步實(shí)驗(yàn)加以驗(yàn)證。

  首先是使用“老長征”系列火箭進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。盡管這類火箭沒法最終應(yīng)用可回收技術(shù),但可以作為分系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。

  目前,我國已經(jīng)在長征二號(hào)丙和長征四號(hào)乙火箭的一級級間段上裝備了柵格舵,將落區(qū)范圍縮小了85%,減少了人員與設(shè)施因“天降”而造成損失的可能。

  順便一提,長征四號(hào)乙遙38火箭上使用的一個(gè)柵格舵,在經(jīng)過了回收、檢測、修理的工序后,又跟著長征四號(hào)乙遙41再次發(fā)射升空,成為了我國第一個(gè)成功重復(fù)使用的火箭零件。

  

  使用柵格舵控制殘骸定點(diǎn)著陸的長征二號(hào)丙(左)和長征四號(hào)乙(右)(圖源:中國航天科技集團(tuán))

  回到本次發(fā)射,可回收型“長征八號(hào)”火箭與美國的“獵鷹九號(hào)”火箭的回收方式相當(dāng)類似,都是垂直降落回收,但二者在各種細(xì)節(jié)中有著巨大的差別。

  首先,由于“長征八號(hào)”是捆綁式火箭,一般在助推器燃料用光后就會(huì)將其拋掉以減輕重量,但是在回收構(gòu)型中,助推器將不再與芯級分離,而是集束分離模式,與芯一級一起分離并回收。

  集束分離之后的芯級和助推器會(huì)在高空進(jìn)行一次動(dòng)力減速,這里將會(huì)使用助推器的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行減速。到了低空,芯級發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火,最終讓火箭軟著陸。這里助推不分離的優(yōu)勢就體現(xiàn)了出來,同型號(hào)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)如果點(diǎn)火次數(shù)不同,其結(jié)構(gòu)也會(huì)有細(xì)微的差別,在這里如果全程都讓芯級點(diǎn)火兩次進(jìn)行減速,而助推器不點(diǎn)火,會(huì)讓助推器和芯級的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差別,對降低成本而言這可不是好事。

  

  “長征八號(hào)”火箭的回收方式(圖源:論文《CZ-8:長征火箭系列商業(yè)化與智慧化的先行者》)

  此外,火箭在著陸時(shí)重量非常輕,而我國的YF-100火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最大推力超過120噸,在著陸時(shí)需要讓發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流運(yùn)行。節(jié)流幅度越大,發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)難度越高,也就越貴。所以回收的時(shí)候帶上助推器,也相當(dāng)于是給火箭加了個(gè)配重,降低了發(fā)動(dòng)機(jī)的節(jié)流幅度,間接降低了成本。

  不過,由于長征八號(hào)運(yùn)載火箭是首飛,主要用于驗(yàn)證設(shè)計(jì)與制造的可靠性,因此并不是可回收形態(tài)。我們可以從照片中觀察到,其助推器仍然是分離設(shè)計(jì)的,保留有分離用的小型固體火箭,芯一級和助推器上也沒有裝設(shè)用于返回的格柵舵和著陸腿。

  任何的進(jìn)步都不是一蹴而就的?!伴L征八號(hào)”火箭的成功發(fā)射只是我國可回收運(yùn)載火箭走出的一小步,后續(xù)也勢必要多次進(jìn)行發(fā)射,每一次我們都將嘗試一些新的內(nèi)容,直到垂直回收火箭技術(shù)的最終成熟。

  可以預(yù)見的是,“長征八號(hào)”的前景將十分廣闊——隨著內(nèi)陸發(fā)射基地工位的低溫發(fā)射能力的陸續(xù)實(shí)現(xiàn),它不僅可以在海南文昌航天發(fā)射場進(jìn)行發(fā)射任務(wù),還可以在深處內(nèi)陸的酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心組織發(fā)射。“長征二號(hào)”、“長征三號(hào)”和“長征四號(hào)”系列火箭的歷史任務(wù)也即將完成。

  畢竟,上世紀(jì)70-80年代首飛的“老長征”系列火箭經(jīng)歷了四十多年風(fēng)風(fēng)雨雨,不僅性能逐漸跟不上時(shí)代需求,而且其使用常溫的偏二甲肼和四氧化二氮作為燃料,毒性和腐蝕性極強(qiáng),對發(fā)射場的工作人員有著不小的危害,而且燃料成本還要更高,也是時(shí)候讓這些“老兵”們安享晚年了。

  我國新一代中型運(yùn)載火箭從2010年立項(xiàng)至今已走過十個(gè)年頭,如今已經(jīng)初步形成了一套全新的運(yùn)載火箭譜系。新一代長征系列運(yùn)載火箭必將接過老前輩們的接力棒,在我國航天事業(yè)的“長征”之路上書寫新的篇章。

  

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