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长征-7火箭“喝”上液氧煤油

2016-6-22 10:53:42

来源:新华网 选稿:费一妍

  原标题:长征-7火箭“喝”上液氧煤油

  

  图片说明:即将发射的长征-7火箭。

  新闻背景

  6月下旬,我国首枚新一代中型运载火箭长征-7将在新建的海南文昌航天发射场发射,从而拉开我国载人航天工程第二步第二阶段的序幕。

  这次发射是载人航天工程空间实验室阶段4次飞行任务的开局之战,关系重大。在长征-7身上,从设计、研制、运输到发射方式,都有革命性的变化。

  液氧煤油堪称航天动力“珠峰”

  长征-7是我国载人航天工程为发射货运飞船而全新研制的新一代中型运载火箭,也可用于发射人造卫星等其它航天器。它于2011年3月立项启动,其首飞任务主要目的是全面验证火箭设计的正确性和各项性能指标,同时搭载了相关科研机构研制的有效载荷,用于开展空间科学技术试验研究。

  该火箭的最早原型是长征-2H型,即利用长征-2F的成熟技术,最大的变化是把火箭发动机由原来常温的偏二甲肼/四氧化二氮发动机改为低温的液氧煤油发动机。

  看起来只是燃料的不同,而变化却是革命性的。低温液氧煤油发动机被誉为世界航天动力领域的“珠穆朗玛峰”,技术十分复杂,因为液氧的温度为-183℃,火箭要保持低温,防水隔热要面面俱到。例如,必须通过绝热方式对火箭进行严格控制,需给“冰箭”穿上一件厚厚的“绝热服”,保证火箭不被热量“入侵”;另外,为了防止空气中的水蒸气因低温凝结,这种“冰箭”在设计时必须考虑防水设施。

  之所以采用低温的液氧煤油发动机,是因为这种发动机不仅无毒、环保,而且成本低,1吨煤油的价格不到1万元,比常规发动机推进剂便宜60%,更重要的是其可重复使用。以发射“神舟”飞船的长征-2F火箭为例,如果采用液氧煤油,每次发射可以节约推进剂费用上千万元。

  我国现役火箭发动机的单台推力在70吨左右,长征-7上120吨液氧煤油发动机的诞生,一举把我国火箭发动机单台推力提升了60%,运载能力是原来的3倍左右。

  然而,火箭“喝”的煤油不同于一般的煤油,具有密度大、热值高等特点,经过努力,我国研制出了国产的火箭煤油。

  长征-7的液氧和煤油推进剂组合虽然属于低温燃料,但可以安全停放24个小时,这样便可以灵活应对多种发射需求。

  首创全数字化手段研制

  长征-7还是我国首枚采用全数字化手段研制的火箭,即从设计到生产均采用全三维数字平台,标志着中国运载火箭迈入了全生命周期数字化的大门,代表了我国近60年运载火箭研制领域的最高水平。

  长征-7研制过程中,通过采用三维无图纸设计/制造技术,打通了从设计到制造的全三维流程;广泛应用数字化手段,基于统一的三维模型实现了设计、分析、仿真、生产与总装的数字化研制新模式,建立了标准规范,为其它型号的推广应用树立了典范。基于数字模装及数字化仿真,在设计阶段提前发现大量不协调问题并得到及时解决,减小了产品报废率,缩短了研制流程。

  长征-7基本型箭体总长53.1米,芯级直径3.35米,并联了4个直径2.25米的助推器,起飞质量约597吨,起飞推力720吨,近地轨道运载能力13.5吨。

  未来将成我国火箭发射主力

  以长征-7基本型火箭为基础,可通过调整助推器个数、增加固体助推器、增加上面级、增加氢氧三子级,实现我国新一代中型运载火箭的系列化。例如,可研制太阳同步轨道运载能力4.5吨和地球同步转移轨道运载能力7吨的中型运载火箭,承担国内外主流卫星的发射任务。由于该火箭的芯级直径和助推器直径分别为3.35米和2.25米,既可以用铁路进行运输,也能采取海运方式,所以长征-7在我国4个发射场都能发射。

  除了长征-6、长征-7火箭以外,我国新一代运载火箭家族中的长征-5,今年也将使用120吨液氧煤油发动机以及50吨液氢液氧发动机,近地轨道运载能力在25吨。该火箭是新一代大型运载火箭,达到世界一流水平,但技术更为复杂。据悉,中国航天科技集团六院还将进行460吨级等推力更大的液氧煤油发动机的研制,从而建立满足我国航天事业发展需要的液氧煤油发动机型谱;也将研制推力更大的液氢液氧发动机,它们可用于打造重型运载火箭。

  预计到2021年火箭各项技术趋于成熟稳定时,长征-7将逐步替代现有的长征-2、3、4系列,承担我国80%左右的发射任务。

  小贴士

  防水防风能力长征家族之最

  由于长征-7的首飞是我国运载火箭第一次在新建的低纬度发射场——海南文昌航天发射场发射,所以在长征-7火箭的设计中,如何适应全新发射场的环境一直是研制人员关注的重点。为此,采取了应对措施,使火箭呈现出以下新面貌。

  例如,火箭具有防水功能。因为海南发射场气候潮湿,全年降水量大且湿度高,另外,长征-7的燃料中有液态氧,它的温度是-183℃,因此火箭表面会出现水蒸气凝结的现象。所以长征-7采用防风防水设计,并渗透到了每个设计细节当中,使长征-7在中雨时也能发射。

  另外,火箭能抗8级大风。在内陆戈壁的发射场,风速一般为9米/秒左右,而文昌发射场的风速经常达到20米/秒。为了保证火箭时刻都站得住、站得稳,设计人员专门为它设计了防风减载装置,可以在8级大风的情况下进行垂直转运,抗风能力为目前长征家族之最。

  延伸阅读

  文昌迎来发射“首秀”

  长征-7的这次发射也是我国首次启用新建的海南文昌航天发射场发射。它于2009年9月14日正式开工,2014年10月中旬基本竣工,可以发射长征-5、长征-7系列运载火箭,未来将主要承担货运飞船、大吨位空间站、地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、深空探测卫星等航天器发射任务。

  作为低纬度滨海发射基地(发射塔离海仅800米),在海南文昌航天发射场发射运载火箭,相比甘肃酒泉、山西太原、四川西昌等国内其他三个卫星发射中心有几大明显优势:

  一是运载火箭的射向范围宽,能够覆盖90°至175°,射向1000千米范围均为海域,可以满足地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、空间站、深空探测等航天器发射任务。

  二是火箭发射更安全。由于海南文昌航天发射场建在海边,从那里发射的火箭,其发射方向1000千米范围内是茫茫大海,所以火箭航区、残骸落区的安全性好,坠落的残骸不易造成意外。火箭发射后其第一级火箭坠落于南海。而在酒泉、太原、西昌发射中心,每次发射火箭,都要临时迁移大批居民,以防止第一级火箭坠落时对当地居民的伤害。

  三是地处低纬、节约能耗。火箭发射场距离赤道越近、纬度越低,发射卫星时就越可借助接近赤道的较大线速度,以及惯性带来的离心现象,使火箭燃料消耗大大减少,用同样燃料可以达到的速度也更快,从而能提高地球同步轨道卫星的运载能力。西昌、太原、酒泉发射场的纬度分别为北纬28°、38°、41°,而海南文昌航天发射场位于北纬19°。据悉,在文昌发射地球同步卫星比在西昌发射火箭的运载能力可提高10%-15%,并且入轨角度比较好,仅在校正夹角上,减少卫星调姿消耗的燃料就可使卫星寿命延长2年以上,效费比高。

  四是火箭运输更便利。发射基地选在海南文昌,火箭可以通过海路运输,火箭的大小就不受铁路运输的限制。我国长征-2、3、4等系列火箭由于受到铁路运输的限制,主要是涵洞大小的影响,其组件的最大直径只能限制在3.5米。今年晚些时候,我国还将在文昌航天发射场首次发射长征-5新一代大型运载火箭。长征-5芯级的直径为5米,用公路、铁路运输都难以满足要求,只能采用海运。海南航天发射场具有年发射能力强的优势,每年可进行10-12次发射。

  另外,长征-7火箭发射点火的刹那,温度会高达2800℃,和过去主要起支撑作用的钢制发射平台不同,海南文昌航天发射场使用的新一代发射平台里面装载着仪器设备,而且也需要多次使用,所以专门采用喷水降温和涂特种防护涂层等方式,使它防止被高温摧毁。

  

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长征-7火箭“喝”上液氧煤油

2016年6月22日 10:53 来源:新华网

  原标题:长征-7火箭“喝”上液氧煤油

  

  图片说明:即将发射的长征-7火箭。

  新闻背景

  6月下旬,我国首枚新一代中型运载火箭长征-7将在新建的海南文昌航天发射场发射,从而拉开我国载人航天工程第二步第二阶段的序幕。

  这次发射是载人航天工程空间实验室阶段4次飞行任务的开局之战,关系重大。在长征-7身上,从设计、研制、运输到发射方式,都有革命性的变化。

  液氧煤油堪称航天动力“珠峰”

  长征-7是我国载人航天工程为发射货运飞船而全新研制的新一代中型运载火箭,也可用于发射人造卫星等其它航天器。它于2011年3月立项启动,其首飞任务主要目的是全面验证火箭设计的正确性和各项性能指标,同时搭载了相关科研机构研制的有效载荷,用于开展空间科学技术试验研究。

  该火箭的最早原型是长征-2H型,即利用长征-2F的成熟技术,最大的变化是把火箭发动机由原来常温的偏二甲肼/四氧化二氮发动机改为低温的液氧煤油发动机。

  看起来只是燃料的不同,而变化却是革命性的。低温液氧煤油发动机被誉为世界航天动力领域的“珠穆朗玛峰”,技术十分复杂,因为液氧的温度为-183℃,火箭要保持低温,防水隔热要面面俱到。例如,必须通过绝热方式对火箭进行严格控制,需给“冰箭”穿上一件厚厚的“绝热服”,保证火箭不被热量“入侵”;另外,为了防止空气中的水蒸气因低温凝结,这种“冰箭”在设计时必须考虑防水设施。

  之所以采用低温的液氧煤油发动机,是因为这种发动机不仅无毒、环保,而且成本低,1吨煤油的价格不到1万元,比常规发动机推进剂便宜60%,更重要的是其可重复使用。以发射“神舟”飞船的长征-2F火箭为例,如果采用液氧煤油,每次发射可以节约推进剂费用上千万元。

  我国现役火箭发动机的单台推力在70吨左右,长征-7上120吨液氧煤油发动机的诞生,一举把我国火箭发动机单台推力提升了60%,运载能力是原来的3倍左右。

  然而,火箭“喝”的煤油不同于一般的煤油,具有密度大、热值高等特点,经过努力,我国研制出了国产的火箭煤油。

  长征-7的液氧和煤油推进剂组合虽然属于低温燃料,但可以安全停放24个小时,这样便可以灵活应对多种发射需求。

  首创全数字化手段研制

  长征-7还是我国首枚采用全数字化手段研制的火箭,即从设计到生产均采用全三维数字平台,标志着中国运载火箭迈入了全生命周期数字化的大门,代表了我国近60年运载火箭研制领域的最高水平。

  长征-7研制过程中,通过采用三维无图纸设计/制造技术,打通了从设计到制造的全三维流程;广泛应用数字化手段,基于统一的三维模型实现了设计、分析、仿真、生产与总装的数字化研制新模式,建立了标准规范,为其它型号的推广应用树立了典范。基于数字模装及数字化仿真,在设计阶段提前发现大量不协调问题并得到及时解决,减小了产品报废率,缩短了研制流程。

  长征-7基本型箭体总长53.1米,芯级直径3.35米,并联了4个直径2.25米的助推器,起飞质量约597吨,起飞推力720吨,近地轨道运载能力13.5吨。

  未来将成我国火箭发射主力

  以长征-7基本型火箭为基础,可通过调整助推器个数、增加固体助推器、增加上面级、增加氢氧三子级,实现我国新一代中型运载火箭的系列化。例如,可研制太阳同步轨道运载能力4.5吨和地球同步转移轨道运载能力7吨的中型运载火箭,承担国内外主流卫星的发射任务。由于该火箭的芯级直径和助推器直径分别为3.35米和2.25米,既可以用铁路进行运输,也能采取海运方式,所以长征-7在我国4个发射场都能发射。

  除了长征-6、长征-7火箭以外,我国新一代运载火箭家族中的长征-5,今年也将使用120吨液氧煤油发动机以及50吨液氢液氧发动机,近地轨道运载能力在25吨。该火箭是新一代大型运载火箭,达到世界一流水平,但技术更为复杂。据悉,中国航天科技集团六院还将进行460吨级等推力更大的液氧煤油发动机的研制,从而建立满足我国航天事业发展需要的液氧煤油发动机型谱;也将研制推力更大的液氢液氧发动机,它们可用于打造重型运载火箭。

  预计到2021年火箭各项技术趋于成熟稳定时,长征-7将逐步替代现有的长征-2、3、4系列,承担我国80%左右的发射任务。

  小贴士

  防水防风能力长征家族之最

  由于长征-7的首飞是我国运载火箭第一次在新建的低纬度发射场——海南文昌航天发射场发射,所以在长征-7火箭的设计中,如何适应全新发射场的环境一直是研制人员关注的重点。为此,采取了应对措施,使火箭呈现出以下新面貌。

  例如,火箭具有防水功能。因为海南发射场气候潮湿,全年降水量大且湿度高,另外,长征-7的燃料中有液态氧,它的温度是-183℃,因此火箭表面会出现水蒸气凝结的现象。所以长征-7采用防风防水设计,并渗透到了每个设计细节当中,使长征-7在中雨时也能发射。

  另外,火箭能抗8级大风。在内陆戈壁的发射场,风速一般为9米/秒左右,而文昌发射场的风速经常达到20米/秒。为了保证火箭时刻都站得住、站得稳,设计人员专门为它设计了防风减载装置,可以在8级大风的情况下进行垂直转运,抗风能力为目前长征家族之最。

  延伸阅读

  文昌迎来发射“首秀”

  长征-7的这次发射也是我国首次启用新建的海南文昌航天发射场发射。它于2009年9月14日正式开工,2014年10月中旬基本竣工,可以发射长征-5、长征-7系列运载火箭,未来将主要承担货运飞船、大吨位空间站、地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、深空探测卫星等航天器发射任务。

  作为低纬度滨海发射基地(发射塔离海仅800米),在海南文昌航天发射场发射运载火箭,相比甘肃酒泉、山西太原、四川西昌等国内其他三个卫星发射中心有几大明显优势:

  一是运载火箭的射向范围宽,能够覆盖90°至175°,射向1000千米范围均为海域,可以满足地球同步轨道卫星、大质量极轨卫星、空间站、深空探测等航天器发射任务。

  二是火箭发射更安全。由于海南文昌航天发射场建在海边,从那里发射的火箭,其发射方向1000千米范围内是茫茫大海,所以火箭航区、残骸落区的安全性好,坠落的残骸不易造成意外。火箭发射后其第一级火箭坠落于南海。而在酒泉、太原、西昌发射中心,每次发射火箭,都要临时迁移大批居民,以防止第一级火箭坠落时对当地居民的伤害。

  三是地处低纬、节约能耗。火箭发射场距离赤道越近、纬度越低,发射卫星时就越可借助接近赤道的较大线速度,以及惯性带来的离心现象,使火箭燃料消耗大大减少,用同样燃料可以达到的速度也更快,从而能提高地球同步轨道卫星的运载能力。西昌、太原、酒泉发射场的纬度分别为北纬28°、38°、41°,而海南文昌航天发射场位于北纬19°。据悉,在文昌发射地球同步卫星比在西昌发射火箭的运载能力可提高10%-15%,并且入轨角度比较好,仅在校正夹角上,减少卫星调姿消耗的燃料就可使卫星寿命延长2年以上,效费比高。

  四是火箭运输更便利。发射基地选在海南文昌,火箭可以通过海路运输,火箭的大小就不受铁路运输的限制。我国长征-2、3、4等系列火箭由于受到铁路运输的限制,主要是涵洞大小的影响,其组件的最大直径只能限制在3.5米。今年晚些时候,我国还将在文昌航天发射场首次发射长征-5新一代大型运载火箭。长征-5芯级的直径为5米,用公路、铁路运输都难以满足要求,只能采用海运。海南航天发射场具有年发射能力强的优势,每年可进行10-12次发射。

  另外,长征-7火箭发射点火的刹那,温度会高达2800℃,和过去主要起支撑作用的钢制发射平台不同,海南文昌航天发射场使用的新一代发射平台里面装载着仪器设备,而且也需要多次使用,所以专门采用喷水降温和涂特种防护涂层等方式,使它防止被高温摧毁。