首飞成功！混合动力、无人值守…首型“混动版”长征火箭强在哪？

2022-03-30 09:39:38 来源：科普中国

千呼万唤始出来，长征六号改终露面。

自从2015年9月20日“长征六号”首飞拉开了我国新一代运载火箭登台的大幕，时间已经过去了六年半。在这期间，我们见到了“长征五号”、“长征六号”、“长征七号”、“长征八号”四款运载火箭的首飞。

然而，“长征五号”有“长征五号B”的改型，“长征七号”有“长征七号甲”的改型，“长征八号”有去助推器的一个改型。那么问题就来了：“长征六号”的改型在哪里？

答案今天终于出现——“长征六号改”首飞成功。

图：“长征六号改”发射（图片来源：人民日报）

Part.1

与“长征六号”大不相同的“长征六号改”

虽然是“长征六号”的改型，不过，与其他火箭与改型之间的差异相比，“长征六号”和“长征六号改”的差距确实有些大，并不是增减几个助推器、优化一下软硬件这样的变化。

具体都有哪些变化呢？让我们一起来“找不同”。

图：“长征六号改”（左侧）和“长征六号”（右侧）（图片来源：作者自制）

上图中的右侧是“长征六号”，它全长29米，芯一级直径3.35米，装备有一个120吨推力的YF-100液氧煤油火箭发动机，二级直径2.25米，装备有一个18吨推力的YF-115液氧煤油火箭发动机，整流罩直径2.6米或2.9米。

而上图中的左侧是“长征六号改”，它全长50米，芯一级直径3.35米，装备有两个120吨推力的YF-100液氧煤油火箭发动机，二级直径3.35米，装备有一个18吨推力的YF-115液氧煤油火箭发动机，整流罩直径4.2米或5.2米。

图：“长征六号改”结构图（上海航天技术研究院）

除此之外，为了增大起飞推力，“长征六号改”还搭配有4枚120吨推力的二段式固体火箭发动机。自此，“长征六号改”的起飞质量一跃至530吨，起飞推力也增长至4*120+2*120=720吨，与“长征七号”系列运载火箭的起飞推力6*120=720吨相当。在强大动力的加持下，其700 km SSO（太阳同步轨道）运载能力将达到4.5吨，与2020年底首飞成功的“长征八号”700 km SSO 4.5吨的运力相持平。

Part.2

为什么说“长征六号改”并非重复建设？

说到这里，你一定会感到疑惑，“长征六号改”与“长征八号”这两款火箭的运力完全一致，既然已经有了“长征八号”，为什么还需要“长征六号改”？这是不是一种重复建设？

对于这个问题，笔者认为，这看似“重复建设”的背后，其实蕴含着运载火箭设计的不同思路和发展方式。

“长征八号”运载火箭的起飞质量为356吨，其达成700 km SSO 4.5吨的运力条件主要基于二级的氢/氧燃料组合体系，这种体系下的燃料比冲（即单位质量燃料所产生的速度增量）较高，因此能够利用较少的燃料实现较大的运力。同时值得指出的是，“长征八号”由中国运载火箭技术研究院（以下简称“航天一院”）研制，所使用的二级直接继承自“长征三号甲”系列运载火箭的三级，而“长征三号甲”系列运载火箭，也是航天一院研制的，属于成熟产品。

这是“长征八号”运载火箭的设计思路——利用成熟的氢氧燃料上面级，实现运载能力的增长。

而“长征六号改”运载火箭的思路则截然不同。“长征六号”系列是上海航天技术研究院（以下简称“航天八院”）的产品，而航天八院此前研制的运载火箭为“长征四号”系列，其与“长征三号甲”系列拥有近似的一二级，但第三级完全不同——“长征四号”采用的是偏二甲肼-四氧化二氮燃料体系，也就是说，对于氢氧燃料体系的应用，航天八院并没有非常雄厚的技术基础。

那么就需要另辟蹊径，通过增大火箭二级的点火时间来实现运力增长。点火时间延长，燃料烧得更多，储箱也要增大。由此，“长征六号”的2.25米直径二级已不能满足需要，就扩容至3.35米；为了能够运载更大的二级，火箭的一级又需要更大的推力和更大的容量；由此又增加了一台发动机，火箭全长也由此增长。

但是，光靠两台推力120吨发动机也是没法让一级起飞的，因此需要再加助推器。然而如果参考“长征八号”的方案，捆绑若干个2.25米液氧煤油燃料助推器，那么这样的“长征六号改”是完全无法与“长征八号”竞争的，因为“长征八号”的起飞质量已经很低，结构也比较简单。

因此只能选用推力大、质量轻、结构简单的助推器。

于是我国第一枚应用固体燃料火箭助推器的运载火箭，“长征六号改”就这样诞生了。应用了高能、高密度的固体燃料的助推器能够用较少的燃料产生强大的推力，固体火箭发动机更为简单的结构让“长征六号改”的系统复杂度也由此降低。

纵观世界上的各种运载火箭，固体火箭发动机作为助推器的案例非常多——美国 “阿特拉斯”号运载火箭、航天飞机发射系统和即将用于“阿尔忒弥斯计划”的“太空发射系统”，欧空局的“阿丽亚娜”系列运载火箭，日本的“H-2”、“H-3”运载火箭系列都使用了固体火箭发动机作为助推器。

为什么固体燃料作为助推器的使用如此广泛？

原因就在于，固体燃料生产完毕之后直接封装在火箭发动机内部，可以长期保存，快速部署，而液体燃料必须要在发射前完成加注；固体燃料助推器产生强大的推力能够让运载火箭快速突破大气层，最大程度减少空气的阻力，增加火箭的运载能力。

不仅是火箭本体的设计思路不同，发射场本身也非常重要。我们有了火箭，没有发射场系统，那就是有弹无枪，不能发射。

发射场系统不仅仅是我们看得到的发射塔架和总装大楼，也包括了运载火箭推进剂的运输、贮存系统。“长征六号改”运载火箭需要的火箭推进剂为液氧、煤油和固体燃料。固体燃料可以长期存放，而液氧和煤油的生产和配套设施要比液氢生产设施简单，运维成本更低，而且产量也远大于液氢。

因此从发射场条件来看，“长征六号改”配套的设施相比于“长征八号”而言，也更容易建立。

此前，“长征六号”运载火箭在太原卫星发射中心已经完成了多次发射任务，液氧-煤油推进剂配套设施体系已然完备，而应对“长征六号改”任务，仅仅需要新增一个固体燃料存放场地和新的发射工位，因此新建场地的成本更低，技术更简单。太原卫星发射中心作为老牌太阳同步轨道发射场，将随着“长征六号改”的加入，在未来肩负起更多的发射任务，焕发出新的生机，进一步拓展新的可能。

而“长征八号”目前使用的仍然是文昌航天发射场“长征七号”的发射工位，如果未来要实现较高密度的发射，就需要像“长征六号”系列一样，往内陆拓展。而能够提供液氢-液氧燃料体系的发射场仅有西昌卫星发射中心，但西昌目前还缺乏煤油的燃料的生产配套设施，因此“长征八号”前往内陆发射场，肩负起较高密度的发射任务，仍然尚需时日。

我们可以看到，“长征六号改”的首飞，为我国新一代运载火箭的发展增添了新的动力，指出了新的方向。而北京、上海两地航天部门的良性竞争也将为我们展现一个新的未来，让我们一起期待更多的好消息！

综合来源：新华社、光明日报、中国航天报、中国科普博览

关键词：运载火箭火箭发动机固体燃料