长征八号首飞!虽然不是可回收款,但它的意义不止于此
发布时间:2020-12-22
出品:科普中国
制作:一颗青椒
监制:中国科学院计算机网络信息中心

  在“长征五号”遥五火箭成功发射嫦娥五号探测器仅一个月后,文昌发射场201工位上又送走了一位名叫“长征八号”的客人。

   202012221237分,我国新一代运载火箭长征八号在中国文昌航天发射场点火起飞,随后顺利将5颗卫星送入预定轨道,首飞任务取得圆满成功。

  

  长征八号运载火箭起飞(宿东 摄)

  虽然她的体量没有“长征五号”这么大,也就350吨出头。但是,这火箭……是不是看着有点眼熟?如果你觉得她似曾相识,那就对了。

长征八号的目标不止SSO轨道和商业发射

  3.35米直径配两台120吨级液氧煤油发动机YF-100的芯一级、2.25米直径配一台YF-100的助推器、3米直径配两台8吨级液氢液氧发动机YF-75的二级、4.2米直径的整流罩……很显然,这就是把“长征七号”运载火箭的二级换成一个“长征三号甲”的氢氧三级,再去掉两个助推器所形成的产物。

  

  “长征八号”火箭配置和运载能力(图源:论文《CZ-8:长征火箭系列商业化与智慧化的先行者》)

  “长征八号”系列火箭可以为低轨星座、低倾角卫星、小型电推进高轨卫星等提供服务,主要负责太阳同步轨道(SSO)载荷的发射任务,可满足大部分中大型有效载荷或多星组网的发射需求。

  那么,为什么我们要强调这个太阳同步轨道(SSO)?因为只有处于这个轨道上运行的卫星,每天同一当地时间都能够经过同一个地点,十分适合诸如农业普查、天气预报、资源勘探这种要每天特定时间对着某个地方看的需求。

  以往我国的SSO轨道发射任务几乎都是“长征四号”系列运载火箭的主场,其最大近3吨的SSO运力还算不错。但随着卫星的重量和体积越来越大、功能越来越多、性能也越来越强,“长征四号”系列运载火箭开始力有不逮,因此需要更强的火箭。然而“长征七号”未来的发射任务已经几乎被“天舟”货运飞船任务填满了,实属分身乏术,所以选择让“长征七号”专注于近地轨道的任务,直接把原“长征七号”子型号之一单独发展。这样,我们就得到了一个SSO运力达到4.5吨的火箭,也就是这次发射的“长征八号”。

  “长征八号”除了目标轨道基本限定在SSO之外,还肩负着我国商业卫星发射的重要任务,需要较低的发射成本提高竞争力。

  商业发射市场首先需要运载火箭可以提供优质产品与服务,要有较高的可靠性和安全性,其次发射服务价格自然是越低越好。除此之外,火箭还必须要“快”,这里的“快”指的是能对任务快速响应、可以适应种类繁多的发射任务、发射周期也要足够短。最后火箭的产量还必须足够,要不然就适应不了商业发射中较高的发射密度。

  为了满足商业发射高竞争力的需求,“长征八号”火箭会分为两种配置:CZ-8/ZHCZ-8/RH,分别代表组合型和融合型。其中组合型是面向高附加值的卫星发射;而融合型则面向竞争更为激烈的商业卫星发射市场,发射成本更便宜、用起来更简单、而且可靠性不减。为此,融合型“长征八号”火箭会在结构工艺、电气系统、测控系统上进行大幅度简化。

  除了为商业发射进行较多改进之外,她还将拥有别的长征火箭几乎都无法完成的目标——回收。

长征八号是如何实现回收功能的?

  长征七号立项后没多久,美国Space X公司的猎鹰九号火箭异军突起,将大多数人认为天方夜谭的“火箭回收并复用”目标实现了,甚至还将回收的火箭一级重复使用了多达七次,大大降低了常规构型火箭的发射成本。

  

  资料图:猎鹰九号海上回收 图源:维基百科

  看到“垂直回收”的火箭复用路子是走得通的,我国的可回收火箭计划也开始提上日程。在目前这个老型号火箭已经属于期货退役的时期,直接在新型号上予以应用,是最合适的选择。而“长征五号”主打重量级任务,目前还是以追求可靠性为主,那么“长征七号”与“长征六号”火箭自然成为了选择。

  对于“长征七号”而言,以“长征七号722HO)”构型为基本型,另行开辟火箭型号(即“长征八号”系列运载火箭),最终发展出可回收火箭(即“长征八号”的改型),从管理上来看,也是相当合适的选择。当然,基于“长征六号”运载火箭的可回收复用型号,也在紧锣密鼓地研制中,相信以后我们也能看到。

  火箭的复用并不是拍脑门想出来的,它需要一步步实验加以验证。

  首先是使用“老长征”系列火箭进行实验。尽管这类火箭没法最终应用可回收技术,但可以作为分系统的实验平台。

  目前,我国已经在长征二号丙和长征四号乙火箭的一级级间段上装备了栅格舵,将落区范围缩小了85%,减少了人员与设施因“天降”而造成损失的可能。

  顺便一提,长征四号乙遥38火箭上使用的一个栅格舵,在经过了回收、检测、修理的工序后,又跟着长征四号乙遥41再次发射升空,成为了我国第一个成功重复使用的火箭零件。

  

  使用栅格舵控制残骸定点着陆的长征二号丙(左)和长征四号乙(右)(图源:中国航天科技集团)

  回到本次发射,可回收型“长征八号”火箭与美国的“猎鹰九号”火箭的回收方式相当类似,都是垂直降落回收,但二者在各种细节中有着巨大的差别。

  首先,由于“长征八号”是捆绑式火箭,一般在助推器燃料用光后就会将其抛掉以减轻重量,但是在回收构型中,助推器将不再与芯级分离,而是集束分离模式,与芯一级一起分离并回收。

  集束分离之后的芯级和助推器会在高空进行一次动力减速,这里将会使用助推器的发动机进行减速。到了低空,芯级发动机点火,最终让火箭软着陆。这里助推不分离的优势就体现了出来,同型号的火箭发动机如果点火次数不同,其结构也会有细微的差别,在这里如果全程都让芯级点火两次进行减速,而助推器不点火,会让助推器和芯级的发动机结构产生差别,对降低成本而言这可不是好事。

  

  “长征八号”火箭的回收方式(图源:论文《CZ-8:长征火箭系列商业化与智慧化的先行者》)

  此外,火箭在着陆时重量非常轻,而我国的YF-100火箭发动机的最大推力超过120吨,在着陆时需要让发动机节流运行。节流幅度越大,发动机设计难度越高,也就越贵。所以回收的时候带上助推器,也相当于是给火箭加了个配重,降低了发动机的节流幅度,间接降低了成本。

  不过,由于长征八号运载火箭是首飞,主要用于验证设计与制造的可靠性,因此并不是可回收形态。我们可以从照片中观察到,其助推器仍然是分离设计的,保留有分离用的小型固体火箭,芯一级和助推器上也没有装设用于返回的格栅舵和着陆腿。

  任何的进步都不是一蹴而就的。“长征八号”火箭的成功发射只是我国可回收运载火箭走出的一小步,后续也势必要多次进行发射,每一次我们都将尝试一些新的内容,直到垂直回收火箭技术的最终成熟。

  可以预见的是,“长征八号”的前景将十分广阔——随着内陆发射基地工位的低温发射能力的陆续实现,它不仅可以在海南文昌航天发射场进行发射任务,还可以在深处内陆的酒泉卫星发射中心组织发射。“长征二号”、“长征三号”和“长征四号”系列火箭的历史任务也即将完成。

  毕竟,上世纪70-80年代首飞的“老长征”系列火箭经历了四十多年风风雨雨,不仅性能逐渐跟不上时代需求,而且其使用常温的偏二甲肼和四氧化二氮作为燃料,毒性和腐蚀性极强,对发射场的工作人员有着不小的危害,而且燃料成本还要更高,也是时候让这些“老兵”们安享晚年了。

  我国新一代中型运载火箭从2010年立项至今已走过十个年头,如今已经初步形成了一套全新的运载火箭谱系。新一代长征系列运载火箭必将接过老前辈们的接力棒,在我国航天事业的“长征”之路上书写新的篇章。

  

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