《讲武堂》第451期：中国长征七号运载火箭的传奇

源济

引言

我国新一代中型运载火箭长征七号火箭将于2016年6月底首次发射升空，它作为载人航天工程的一部分，主要用于发射天舟系列货运飞船，未来还可能用于发射新一代载人飞船。我国还将在长征七号基础上研制长征八号运载火箭，共同组成完整的中型运载火箭家族。

从长征二号F/H到长征七号

我国新一代运载火箭的研制体现了通用化、系列化和组合化的设计思想，以及一个系列、两种发动机、三个模块的总体发展思路。简单地说，就是新一代火箭系列包含多种不同构型，它们使用50吨级YF-77氢氧发动机和120吨级YF-100液氧煤油发动机，由5米、3.35米和2.25米直径液体推进模块组成。

长征七号火箭最早源自长征二号F火箭换发的设想，它将接替上图的长征二号F发射载人和货运飞船

鲜为人知的长征二号F/H计划

长征七号火箭原来的项目名称是长征二号F/H（H，即换发动机的意思），是新一代火箭3.35米直径构型的一种，由中国航天科技集团运载火箭技术研究院研制。2009年中国载人航天工程网就公开了长征二号F/H火箭，所谓“换”，简单的说就是在长征二号F火箭基础上换装新型液氧煤油发动机的产物。

长征二号F/H火箭构型与长征二号F都是3.35米直径芯级上捆绑4个2.25米直径助推器的设计，不过它的芯级以2台YF-100发动机替换了原有的4台YF-20发动机，4个助推器各以1台YF-100发动机替换了原有的单台YF-20发动机，起飞总推力提高了20%左右。由于液氧煤油推进剂密度比原来的偏二甲肼/四氧化二氮推进剂略低，长征二号F/H火箭的助推器长度明显加长，外形看起来也更加协调。至于火箭第二级，长征二号F/H火箭以四台18吨推力的YF-115液氧煤油发动机取代了原来的单台YF-22型发动机、以及4台小型游动发动机，推力大致相当，但发动机比冲更高。简而言之，长征二号F/H火箭提高了起飞推力，从而为提高运载能力奠定了基础；此外整个动力系统比过去更简练，以液氧煤油为燃料也摆脱了“毒火箭”帽子。

按照载人航天工程网的介绍，长征二号F/H火箭原计划起飞推力720吨，分为载人和无人两个版本，前者起飞质量582吨，近地轨道最大运载能力为12.5吨，后者起飞质量579吨，近地轨道最大运载能力为13吨，用于发射货运飞船。

上图中展示了长征七号火箭的四发第二级、双发芯级和单发助推器

长征七号将是我国未来主力中型运载火箭

2011年1月长征七号火箭正式立项，根据发射货运飞船需求的变化，长征七号火箭的运载能力指标比早期的长征二号F/H计划有所提高。长征七号火箭全箭长度约53.1米，起飞质量增加到594吨，近地轨道运载能力提高到13.5吨，700千米高度太阳同步轨道运力为5.5吨，它主要用于发射未来载人空间站工程的天舟系列货运飞船。而长征七号火箭首次发射的主载荷是新一代载人飞船缩比返回舱，预料未来长征七号火箭多次发射货运飞船、状态成熟后，也会用于发射神舟之后的新一代载人飞船。

合练中的长征七号火箭，按计划6月底第一枚长征七号火箭将从文昌发射升空

根据火箭总师范瑞祥的论文，长征七号火箭还计划衍生出拥有氢氧第三级型号用于发射静止轨道通信卫星，这种名为长征七号734的火箭将具有约7吨的同步转移轨道运载能力，比我国现有同步转移轨道运力最大的长征三号乙火箭的5.5吨提高了27%，足以发射全部的东方红三号、四号平台卫星以及部分东方红五号平台卫星，还将用于发射小型深空探测器等任务，长征七号火箭将是我国未来中型运载火箭的主力。

长征七号火箭还可以选配备远征系列常规上面级，据称长征七号的首次发射就将使用远征一号上面级，这使长征七号可以灵活执行多种发射任务，尤其是向近地轨道和太阳同步轨道释放多颗卫星的任务。

远征一号上面级曾用于发射北斗卫星，长征七号首次发射中同样会使用远征一号

长征七号使用的液氧煤油发动机性能如何？

中国火箭终于摆脱“毒火箭”帽子

从早期长征二号F/H这个名字出发，长征七号最明显的提高就是它的新一代火箭发动机了。长征七号火箭使用了YF-100和YF-115两种液氧煤油发动机，如果加上远征上面级的话，还有我国推力最小的泵压式发动机。

长征七号的主发动机为YF-100液氧煤油发动机，YF-100是中国航天科技集团航天动力研究院研制的新一代液体火箭发动机，它的质量约为1.9吨，地面推力约120吨，真空推力可达136吨，比现役长征二号、三号和四号上YF-20发动机的75吨推力有了显著提高。YF-100发动机使用液氧煤油推进剂，相比YF-20发动机的偏二甲肼/四氧化二氮推进剂具有无毒无污染的优势，可以说是一种更环保的火箭发动机。

长征七号火箭3.35米直径芯级使用双发YF-100发动机，图为试车中的芯级发动机

长征五号、六号和七号都以YF-100高压补燃液氧煤油发动机作为主发动机

性能出色的高压补燃发动机

YF-100发动机最大的特色还是它使用了高压补燃循环方式，它的地面比冲约300秒，真空比冲约335秒，比传统的燃气发生器循环液氧煤油发动机提高了约10%。所谓比冲，我们可以形象的将其理解为耗油率，比冲越高发动机就可以在相同推力下工作更久，根据动量公式，发动机比冲越高相同质量的推进剂就可以提供更多的动量或冲量，让火箭飞得更快。根据齐奥尔科夫斯基公式，比冲提高可以让火箭运力指数级的提高，火箭发动机高比冲对提高火箭运载能力的效果十分突出。

高压补燃循环为什么能提高火箭发动机的效率呢？这里“补燃”是指火箭燃料全部先在燃气发生器进行“富燃”（燃料过剩、未完全），驱动涡轮泵，然后再进入燃烧室完全燃烧。传统的液体火箭发动机则是使用部分燃料在燃气发生器“富燃”驱动涡轮，之后这部分带有未经完全燃烧燃料的燃气直接排放到外界，浪费了部分推进剂，降低了发动机的比冲。

分级燃烧循环的富燃（fuel-rich）燃气推动涡轮后，全部进入燃烧室（chamber）二次燃烧

另一方面，“高压”是说发动机燃烧室的压强高，压强越高、燃烧效率就越高，进而提高发动机比冲，YF-100发动机燃烧室压强就高达180个大气压。而对于燃气发生器循环的普通发动机来说，如前所述其燃气发生器中的富燃燃气驱动涡轮泵后、直排到箭外，若增加燃烧室压强会浪费更多的燃料，到一定程度就得不偿失了，这也限制了它性能的提高。

简而言之，高压补燃循环的液体火箭发动机容易做到更高的室压提高发动机比冲，而即使燃烧室压强相同，由于燃气发生器循环会浪费部分推进剂，它的比冲仍要低于补燃循环发动机。高压补燃循环发动机比冲高，但代价也不小，它需要更重和更复杂的涡轮、泵和管路系统，难度更高的阀门和密封，结构设计上是所有循环方式中最重和最复杂的，发动机研制成本也比燃气发生器循环的发动机贵得多，但这种付出是值得的。

长征七号火箭第二级使用的YF-115液氧煤油发动机也使用了高压补燃循环方式，它的燃烧室压强略低但也高达120个大气压，发动机推力约18吨，真空比冲约342秒。YF-115发动机推力不大，但比冲要比老式YF-22发动机的290秒提高了18%之多，长征七号火箭运力的提高，YF-115发动机同样有很大的功劳。

高压补燃液氧煤油发动机中液氧（LOX）全部注入预燃室，高压富氧燃气对密封和抗氧化要求很高

长征七号第二级将使用四台YF-115高压补燃液氧煤油发动机

长征七号火箭的全球对手们

长征二号F/H火箭是早期的设想，目标是最短的时间内满足载人航天工程发射货运飞船的需求。2011年正式立项后，据悉长征七号火箭使用了全新的遥测系统和导航制导控制系统，电气系统一体化设计及冗余等一系列先进技术，不仅如此，它还是我国第一种全数字化设计的运载火箭，从设计、试验、制造和管理全程都实现了数字化，大大减少了设计更改返工并缩短了研制周期，这比简单的提高运力具有更大的价值。对比长征二号F火箭，新一代的长征七号火箭运载能力从长征二号F火箭的8.5吨增加到13.5吨，足以发射质量更大的天舟货运飞船。

而放眼全球，同样用于载人航天工程发射的运载火箭有美国太空探索技术（Space X）公司的猎鹰9火箭、俄罗斯联盟火箭、欧洲阿里安5ES和日本H-IIB火箭。

美国猎鹰九号火箭发动机不如长征七号，但整体性能更出色

其中美国太空探索技术（Space X）公司的猎鹰九号火箭最为知名，它是一款主打经济性的运载火箭。猎鹰九号火箭的梅林1D+发动机推力已经增加到单发地面推力845千牛，真空推力922千牛，推重比更是高达约180左右，加上火箭本身使用半气球铝锂合金储箱等先进技术结构质量很轻，虽然梅林1D+作为典型的燃气发生器循环发动机比冲较低，但火箭性能仍然极为出色，发射质量544吨的火箭近地轨道运载能力已经提高到22.8吨，而发射价格也仅有6200万美元。由于火箭整体设计制造水平的落后，长征七号火箭即使使用了高比冲的高压补燃循环液氧煤油发动机，但运载能力和运载系数反而都比猎鹰九号低得多。而且猎鹰九号还在积极探索一级火箭回收技术，在性价比方面一骑绝尘。

猎鹰九号火箭总体水平很高，以燃气发射器循环的梅林1D发动机做到了很强的性能

俄罗斯联盟火箭已廉颇老矣

俄罗斯使用联盟系列火箭发射联盟号载人飞船和进步号货运飞船，联盟系列火箭是从最早的R-7洲际导弹发展而来的设计，目前仍然使用20世纪50年代初水平的RD-107、RD-108和RD-110液氧煤油发动机，但无论是推力、比冲、推重比还是工艺材料都远逊于猎鹰九号火箭的梅林1D+发动机。RD-107等发动机甚至不是典型的燃气发生器循环，它使用过氧化氢催化分解为燃气发生器提供燃气，和V-2火箭如出一辙，为了解决稳定燃烧的问题，一台100吨级的发动机尚且分为4个燃烧室。联盟系列火箭发动机水平很低，但得益于较高的总体设计水平，近地轨道运力达到了7吨以上，足以满足发射联盟和进步飞船的需求，不过它只能说和长征二号F火箭性能相仿，无论是运载能力还是技术水平都远低于长征七号火箭。

俄罗斯也在发展安加拉5P运载火箭用于发射下一代重达20吨的“联邦”载人飞船，不过由于各种原因，安加拉5P火箭至今仍难产，此处不展开讨论。

联盟火箭已经拥有近60年的历史，动力系统的技术水平尤其落后，但胜在廉价可靠

俄罗斯未来将使用新一代的安加拉5号火箭发射“联邦”（PTK）载人飞船

欧洲、日本的同类火箭价格过于昂贵

除了中美俄，欧洲和日本也分别使用阿里安5ES和H-IIB火箭发射自己的ATV和HTV货运飞船，其中阿里安5ES火箭已经退役，H-IIB火箭仍在继续使用。阿里安5ES是一种近地轨道运载能力20吨的大型火箭，而H-IIB的运载能力也高达16.5吨，它们都是在已有大型运载火箭基础上衍生的专门发射大型货运飞船的型号。阿里安5ES使用火神2氢氧发动机和大型固体助推器，上面级使用具备多次启动能力的Aestus常规发动机，是一款技术选择比联盟、长征七号、猎鹰九号都要高端的运载火箭，随之而来的当然是昂贵的价格。这也是阿里安5ES在发射5艘ATV货运飞船后，即被退役的原因。

日本H-IIB火箭则是更高端的设计，它使用两台分级燃烧循环的LE-7A氢氧发动机，捆绑4台SRB-A固体火箭助推器，上面级使用LE-5B氢氧发动机，近地轨道运载能力19吨，可将最重16.5吨的HTV飞船送入200千米X400千米的国际空间站转移轨道。H-IIB火箭无论运载能力、还是技术水平都比长征七号强得多，但它只有发射HTV飞船一个用途，而且价格过于昂贵，日本不得不研制质量更轻的HTV飞船，未来使用H-IIA火箭发射。从这个角度上看，无论是价格还是定位，阿里安5ES和H-IIB都很难说比长征七号火箭成功。

发射ATV货运飞船的阿里安5号火箭技术和性能都很出色

H-IIB火箭使用双发LE-7A氢氧发动机，用途单一价格又过于昂贵

结语

一句话总结，长征七号是一款定位与美国SpaceX公司猎鹰九号类似，同样走廉价、可靠路线的载人运载火箭，我们期待它首次发射取得成功。