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萬物生長靠太陽,人類航天靠火箭

在2020年的最後壹個月份12月,航天領域可謂是熱鬧非凡。我國嫦娥5號成功在月球采樣返回順利完成了探月工程的第壹階段的“繞落回”的目標。美國SpaceX公司的星艦原型SN8也不再是像前幾次那樣壹個不銹鋼大罐子蹦跶百十米,壹下幹到12.5公裏高度,雖然最後落地爆炸,但也算是壹次成功的失敗吧。前兩天我國新型號運載火箭長征8號也首飛成功,據說後續還會發展出可重復使用的版本,中國版獵鷹9指日可待。

就在這些航天熱點還沒消退的時候,最近又爆出中國載人航天工程將在明後年完成現階段目標的三步走中的最後壹步 “中國載人空間站建設” 的新聞。

按照計劃明年將發射天宮空間站的天和號核心艙和問天號實驗艙,緊接著將會發射神舟12號和神舟13號載人飛船以及發射天舟2號、天舟3號貨運飛船。

2022年將會發射夢天號實驗艙,還會發射兩艘載人飛船和兩艘貨運飛船。2021和2022兩年間將會進行總***11次航天發射最終完成載人空間站的建設,中國空間站將轉入在軌運營階段,2022年後發射載人飛船將會成為常態。

中國載人航天工程始於1992年9月21日,代號“921“。從1999年神舟壹號到2016年神舟十壹號我國***發射了11艘神舟飛船,將楊利偉等11位航天員送入了太空並成功返回地球,發射成功率100%。此外還發射了天舟壹號貨運飛船,天宮壹號目標飛行器,天宮二號太空實驗室等用來進行空間站建設的前期技術驗證和試驗。通過這些壹系列的航天任務我國掌握了載人飛船太空飛行,航天員太空出艙活動,太空飛行器交會對接等壹大批載人航天的關鍵技術。為中國的載人航天工程趟出來壹條特色路。

要說建空間站,那還得說說我們的大力士 長征5號運載火箭 ,這是我國現役運載能力最大的火箭,芯級直徑達到了5米,被大家親切的喚作“胖五”,只有它才能將幾十噸重的空間站送到太空。

長征五號可以說是我國目前運載火箭技術的集大成者。可以發射深空探測器比如天問壹號火星探測器,還可以發射月球探測器比如嫦娥5號,還可以發射空間站比如明年發射的天和號核心艙和問天號實驗艙。 目前長征5號主要有兩個構型。壹個是基本型,壹個是長征5號B

基本型的胖五是兩級四助推型 ,總長56.97米,壹級火箭直徑5米,安裝2臺推力50噸級的YF77液氧液氫發動機,四個助推器每個安裝2臺120噸級YF100液氧煤油發動機。二級火箭直徑也是5米安裝2臺推力9噸級的YF75D液氧液氫發動機。基本型總計安裝了12臺發動機。今年發射嫦娥5號的用的就是它。

長征5號B構型的胖五是壹級四助推構型 ,全長53.66米。取消了第二級,其他的和胖五的基本型大體壹樣。發射空間站各個艙段用的就是它。

講完發射空間站的胖五,接下來就得說壹說發射載人飛船用的神箭。

載人航天,載人航天打頭的就是 “載人” 二字。那既然是要載人的,最重要的就是要保證人的安全,這就不得不說說我們載人飛船的專車 長征2F運載火箭 ,又叫 ”神箭“

神箭 的研發始於1992年921工程開始那壹年,兵法有雲:”兵馬未動糧草先行“。如果把我們的載人航天工程看作是壹次戰鬥的話,那我們的神箭就是”糧草“,要想把人送上太空,就必須先造出壹型非常非常安全,非常非常可靠的火箭。這是壹款總長度58點34米,直徑3.35米,擁有四個助推器的,頂部有逃逸塔大家夥,也是我國目前最長的火箭。作為壹款專為載人航天工程設計的火箭它的可靠性達到了0.97,航天員安全性達到了0.997。到目前為止14發14勝發射成功率百分之百。從神舟1號到神舟11號飛船外加天宮壹號二號試驗型空間實驗室以及壹次神秘的可重復使用試驗航天器,全都是用它發射的,可謂是 真·神箭

明年即將發射的神舟12、神舟13載人飛船不出意外的話仍然會使用 神箭長征2F 。其實這神箭長征2F從服役到現在已經有20多年了,中間雖然進行了很多改進,但是他還是屬於上個世紀的產物,很多技術雖然堪用但也已經過時,比如它的推進劑仍然使用的有毒不環保而且成本還高的四氧化二氮和偏二甲肼。

當然我們的航天工作者早就開始了火箭的升級換代工作了,即將接替長征2F的就是中國新壹代運載火箭的主打型號長征7號。說起長征7號,有的小夥伴們可能感覺咋還有個長征7號?我就知道長征5號。的確因為胖五的名氣實在太大了導致其他的新火箭比如長征6號7號大家都沒啥印象。

其實長征7號才應該是新壹代運載火箭的絕對主力。2016年6月25日長征7號在海南文昌航天發射場首飛成功。這是我國第四個航天發射中心海南文昌航天發射場的首次發射任務,也是我過新壹代運載火箭的首款中型火箭長征7號的首次發射。妳說長征7號的地位牛不牛。

長征7號屬於兩級四助推的中型運載火箭,它的可靠性設計指標為0.98比神箭長征2F還高。它***有兩個版本,壹個是貨運版本,壹個是載人版本。

貨運版本火箭總長53.2米,起飛質量593噸,起飛推力735噸,目標軌道運載能力不低於13.5噸。還可發射衛星,700千米SSO(太陽同步軌道)運載能力為5.5噸

載人版本火箭總長59點4米(我國目前最長火箭,又刷新了長度)。起飛質量597噸,起飛推力也是735噸,目標軌道運載能力不低於11.5噸。

這兩個版本的壹級和四個主推器均采用的是120噸級大推力YF100液氧煤油發動機。二級采用的則是四臺18噸級的YF115液氧煤油發動機,這是壹款可以靈活搭配使用的小推力發動機。

為了應對海南文昌發射場的多雨多風的天氣狀況,長征7號還有壹定的防水能力,具備在下中雨天氣情況下發射的能力。不僅防水還抗風,新研制的防風裝置具備在8級大風的天氣中進行火箭轉場的能力。

長征7號是既能運貨又能載人還能發射衛星的全能型選手,根據規劃將來會逐步接替長征2號3號4號系列火箭,承擔我國80%的航天發射任務。

那有的小夥伴可能就要問了:長征7號既然這麽牛,明年發射的神舟12號和神舟13號載人飛船還有天舟2號3號貨運飛船會不會使用它發射呢?

由於載人航天發射對火箭的可靠性和安全性要求極高。而長征7號畢竟是壹款新火箭,且作為壹型未來的絕對主力火箭,必須經過多次的試驗發射待各項技術成熟穩定後才能大規模的生產投入使用,現在的長征7號雖然已經成功發射了兩次,但是基於長征7號的改進型長征7號甲火箭首發失利,所以它的可靠性和安全下性比起神箭老長征2F可能還是差點意思的。因此明年的神舟11和神舟12號載人飛船應該還會繼續使用我們的 神箭 老款長征2F火箭。而天舟2號和3號貨運飛船則會使用長征7號進行發射。

最後我們來聊壹聊,我們的新壹代長征運載火箭系列基本情況,讓大家對我們的新火箭有個大概了解。

老壹代長征系列比如長征2號3號4號系列已經服役幾十年了,為我國的航天事業做出了突出貢獻。我國現在的主要的航天成果,比如神舟飛船,嫦娥探測器,北鬥衛星全球導航系統,以及其他各種型號各種用途的衛星都是依靠他們才得以完成的。但是老長征火箭畢竟是上個世紀的產物,很多技術和功能已經不能滿足新時代航天任務的要求了於是我國新壹代運載火箭新長征系列橫空出世。

新長征系列火箭徹底解決了老壹代火箭的各種功能缺陷,以無毒環保,模塊化標準化,高可靠性,易維護性,低成本,高適應性,研制和生產周期短為設計目標。簡單的概括壹下新壹代運載火箭就是“ 壹個系列,兩種發動機,三個模塊”

壹個系列是指新火箭同屬長征系列,兩種發動機是指液氧煤油發動機和氫氧發動機也可以指小推力發動機和大推力發動機,三個模塊是指2.25米直徑芯級,3.35米芯級,5米直徑芯級小中大三個。通過搭配不同級別和種類的發動機和大小不同的模塊芯級就可以組合出滿足各種不同航天任務的發射需求。到目前為止新壹代長征火箭系列的幾個型號都已經首飛成功。主要包括長征6號(小型2.25米芯級),長征5號(大型5米芯級),長征7號(中型3.35米芯級),長征8號(中型3.35米芯級)。接下來就是對這些火箭在發射過程暴露的各種問題進行解決,提高可靠性和成熟度,然後逐步的接替老長征系列。

這裏我們得著重講壹下新壹代火箭的心臟: 兩款主力發動機型號YF100和YF77 ,他們均采用環保推進劑,成本更低,推力更大。

先來講壹下中國火箭發動機的 扛把子 我國第壹代120噸級分級燃燒循環液氧煤油火箭發動機,這款發動機脫胎於中國從前蘇聯獲得的RD-120發動機(老毛子的液氧煤油發動機獨步天下),將是未來壹段時間內我國現役新壹代長征火箭的標配,長征5號、6號、7號、8號都能看到它的身影,真可謂YF100壹塊磚,哪裏需要哪裏搬,搬到哪裏都好用。

除了YF100這樣的液氧煤油大推力的拳頭發動機,YF77發動機這是壹款50噸級的氫氧發動機,這是壹款讓中國航天人又愛又恨的發動機。就是因為這款發動機遲遲搞不定,很多計劃好的的航天任務是壹推再推,嫦娥五號和空間站都因為這貨推遲了好幾年,要不然現在空間站的航天員都得換了好幾波了,這次探月的可能就是嫦娥8號了。

氫氧火箭發動機具非常優異的高比沖優勢,是火箭發動機中推力效率最高的壹類,但是由於液氧液氫需要極低的溫度才能保證液態存儲,而發動機燃燒又會產生幾千度的高溫,所以這樣的極冷和極熱工況就像是冰火兩重天,對發動機材料和加工工藝的要求是非常高的。所以研制氫氧發動機相對來說非常困難的和復雜的。我國經過十幾年研發才搞定的YF77,推力只有50噸左右跟世界上主流的氫氧發動機還是有很大的差距,而且就現在的情況來說YF77也只能說是堪用,能用,不敢說可靠,畢竟才飛了沒幾次還失敗了壹次。由此可以看出這玩意實在是太難了。

通過對新壹代長征火箭的研制,我們基本上算是追上了國際上主流火箭的技術水平。雖然還有很多技術指標和國際先進水平有著很大的差距。但是現在的火箭技術已經可以基本上滿足我們新時代航天工程的需求。我們國家對航天事業的發展壹直有著自己的節奏和步伐之,壹直是少花錢多辦事。現在隨著國家的綜合實力的不斷上升,國家也加大了對航天事業的投入,所以我們的追趕速度也在不斷加快。 我們國家現在已經開始對新長征火箭進行升級改造,比如智能化火箭和可重復使用技術,根據規劃到2035年前基本上所有的主力長征火箭都將是智能化的可重復使用火箭。

除此之外我們已經開始研發推力更大的長征9號並且壹些關鍵技術已經取得突破。這是壹款為載人登月以及登陸火星而研制的重型火箭。按照計劃長征九號將會在2030年之前首飛,如果壹切順利,到那時我們的火箭技術水平將壹舉進入世界第壹梯隊。