中國新一代中型運載火箭總體方案及發展展望

范瑞祥，王小軍，程堂明，徐利杰，馬 英

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

中國新一代中型運載火箭總體方案及發展展望

范瑞祥1，王小軍1，程堂明2，徐利杰2，馬 英2

（1. 中國運載火箭技術研究院，北京，100076；2. 北京宇航系統工程研究所，北京，100076）

長征七號（代號CZ-7）運載火箭是為了滿足中國載人空間站工程貨運飛船發射任務而全新研制的新一代無毒無污染中型運載火箭。在空間站運行階段，CZ-7火箭可滿足貨運要求并減少年發射次數，有利于降低空間站的維護成本，便于發射任務的組織實施。CZ-7火箭對未來主戰場衛星發射任務具有良好的適應性，是新一代中型運載火箭系列的基本型，通過貨運飛船和主戰場衛星的發射可靠性子樣積累，后續可用于發射載人飛船。2016年6月25日，CZ-7運載火箭成功完成了首次飛行試驗。對CZ-7火箭總體方案進行了介紹，并對新一代中型運載火箭的發展做了展望。

新一代中型運載火箭；總體方案；CZ-7

0 引 言

航天技術是國家綜合實力的重要組成和標志之一，進入空間的能力是綜合國力和科技實力的重要標志。1970年中國第1次成功發射人造衛星，標志著中國人獨立自主地掌握了進入空間的能力。經過50余年的發展，中國長征系列運載火箭走過了從常溫推進到低溫推進、從串聯到捆綁、從一箭單星到一箭多星、從發射衛星到發射載人飛船的技術歷程，逐步發展成為由多種型號組成的大家族，具備進入低、中、高等多種軌道的能力，入軌精度達到了國際先進水平。

然而，中國現役長征系列運載火箭面臨運載能力不滿足更長遠發展需求的問題：有毒推進劑全產業鏈環境危害大，從推進劑的生產、運輸、儲存、使用、試驗、銷毀到殘骸內剩余推進劑的處理等均需付出很大代價，不符合綠色環保的國際潮流；已有發射場均處于內陸，落區選擇越來越困難，而且不利于對外開放和國際交流合作。

為了滿足中國未來航天發展的需求，國家決策開展新一代運載火箭的研制，以滿足載人航天工程、月球探測等重大專項工作的需要并實現中國運載火箭的更新換代。在此背景下，長征七號（代號CZ-7）火箭應運而生。CZ-7火箭是為了滿足中國載人空間站工程貨運飛船發射任務而全新研制的新一代無毒無污染中型運載火箭，其成功研制將為其他衍生構型的發展奠定堅實的基礎。2016年6月25日在新建成的海南文昌發射場，CZ-7火箭首次飛行試驗取得圓滿成功。這標志著中國新一代中型運載火箭在技術和工程應用上取得了重大突破。

1 總體方案

CZ-7火箭為帶助推器的2級火箭，各級均采用了新研發的液氧/煤油發動機以及為適應發動機而研制的低溫增壓輸送系統。助推器直徑2.25 m，安裝1臺1200 kN液氧/煤油發動機YF-100，發動機單向擺動參與姿態控制；芯一級直徑3.35 m，并聯安裝2臺1200 kN液氧/煤油發動機YF-100，發動機雙向擺動參與姿態控制；芯二級直徑3.35 m，并聯安裝4臺180 kN液氧/煤油發動機YF-115。

CZ-7火箭總長53.1 m，起飛質量約597 t，起飛推力約735 t。在海南發射場發射，按軌道高度200 km/ 400 km、軌道傾角42°計算，運載能力不低于14 t。火箭構型如圖1所示。飛行過程中火箭主要經歷起飛、程序轉彎、助推器分離、一二級分離、整流罩分離、星箭分離等動作，主要事件如表1和圖2所示。

圖1 CZ-7火箭構型

表1 CZ-7火箭主要飛行動作事件

圖2 CZ-7火箭主要飛行時序

火箭姿態控制采用助推器與芯一級發動機聯合搖擺控制方案，助推器與芯一級之間的連接采用三支點超靜定捆綁方案，有效地提高了助推器局部模態頻率。

火箭在發射場發射工位采用近距離光學平瞄方案。火箭起飛后自主滾轉完成射向對準，以適應不同發射任務對射向的要求。

箭體采用“海運＋公路”運輸方式，完成總裝測試后的箭體各模塊裝入集裝箱，在天津港裝船，海運至海南清瀾港，然后通過公路運輸將集裝箱運至發射場。1枚CZ-7火箭采用1艘火箭運輸船運輸。

火箭采用“新三垂”發射模式，垂直總裝、垂直測試、垂直運輸。火箭前端的測試發射控制設備均放置在經過減振、隔噪的活動發射平臺前置設備間內。火箭轉場過程中保持箭-地的氣、液、電連接狀態不變，取消了箭-地連接的脫落插頭。在發射陣地僅完成簡單的功能檢查后，即可進入推進劑加注、預冷、點火等臨射程序，縮短了發射區準備時間。火箭起飛過程中采用噴水系統對發射臺和火箭底部進行降溫、降噪。

2 主要技術創新點

作為中國全新研制的新一代運載火箭，CZ-7火箭具有完全自主知識產權，研制階段共突破了11項重大關鍵技術和96項創新技術。新技術均通過了首次飛行試驗的驗證。主要技術創新點包括：

a）全液氧/煤油構型，實現了近地軌道運載能力的跨越。

本研究利用多種研究方法，在多個層面上分析橫店影視職業學院足球選項課發展中存在的問題，并在此基礎上提出相應的對策。本研究的成果對提高大學生足球學習的積極性，提高高校足球的教學質量，豐富高校足球文化，進一步推動全民健身計劃的開展具有一定的實踐意義。

作為中國第1個全液氧/煤油動力的運載火箭，助推器和芯一級采用6臺新一代大推力YF-100高壓補燃液氧/煤油發動機并聯，起飛推力達到735 t。二級采用4臺YF-115高壓補燃液氧/煤油發動機并聯。突破了貯箱閉式冗余智能增壓控制、低溫火箭POGO抑制等多項關鍵技術。

采用軸內壓承載效率較高的等邊三角形網格結構等設計方案，實現了結構的高效和輕質化設計，將中國中型運載火箭近地軌道（LEO）的運載能力由8.6 t提升至14 t以上，達到了國際同類火箭先進水平。

b）突破和掌握了運載火箭多發動機并聯的力、熱環境設計及防護關鍵技術。

采用工程算法、理論預示及試驗驗證相結合的飛行環境預示方法，解決了一級和助推器并聯使用6臺、二級并聯使用4臺液氧/煤油發動機導致的力、熱環境嚴酷帶來的防護難題，通過首次飛行試驗，驗證了理論設計的正確性。

成功研制了箭上新型輕質隔熱及燒蝕涂層和整體防熱裝置，發射臺采取2級大流量噴水方案，前置設備間實現整體隔音降噪，這些力、熱防護措施突破了力、熱防護技術，通過首飛飛行試驗的驗證，火箭各級尾部、發射臺和前置設備間的力、熱環境防護方案效果良好，設備工作正常，重大關鍵技術得到突破。

c）采用助推器三支點超靜定捆綁方案。

CZ-7火箭助推器的長徑比大（長度與直徑之比近12），且在中國首次實現了助推器發動機搖擺參與火箭飛行控制。首次采用的助推器三支點超靜定捆綁設計方案，解決了助推器低頻模態密集、各方向模態耦合嚴重導致火箭飛行姿態難控制、動力系統縱向耦合振動等難題，成功攻克了助推器低頻模態辨識和控制、助推器參與搖擺控制以及火箭動力系統縱向耦合振動抑制等關鍵技術。

d）創新測試發射模式，解決了新建海南發射場的自然環境設計與防護技術難題。

在火箭垂直轉場過程中首次采用了防風減載方案，減載效果達到48%以上，轉場50 m高度抗淺層風的最大平均風速由17 m/s提升至20 m/s，有效提升了垂直轉場概率和安全性。

全箭開口、部段對接面、火工品及電纜網等均采取了防水、防潮設計，并設計了艙段干燥空氣吹除系統，提升了對海南發射場自然環境的適應性，使火箭具備了中雨發射能力。

3 發展展望

CZ-7火箭作為中國全新研制的新一代高可靠無毒無污染中型運載火箭，除了滿足載人空間站工程發射貨運飛船任務外，對未來主戰場衛星發射任務也具有良好的適應性，是新一代中型運載火箭系列合理、優化的基本型。通過發射可靠性子樣積累，未來可用于發射載人飛船。

對中型運載火箭構型的命名進行如下約定：名稱為CZ-7XYZ，代號中的X代表級數，Y代表助推器個數，Z代表助推器類型，對有固體推進劑助推器的構型用S表示，對液體推進劑助推器省略；對有上面級的狀態，增加 /SM加以區分；對芯二級采用氫氧發動機的構形，增加（HO）加以區分。如捆綁2個2 m直徑的固體推進劑助推器、芯二級采用氫氧發動機的2級構型命名為CZ-722S(HO)。按照上述命名規則，基本型CZ-7代號為CZ-724，簡稱為CZ-7。

3.1 載人運載火箭

CZ-7火箭在研制過程中貫徹載人航天工程高可靠性、高安全性的研制要求，執行載人航天工作標準。按照“一度故障工作，二度故障安全”的設計原則，火箭的飛行可靠性設計值為0.98，發射可靠性設計值為0.92。通過增加故障檢測系統和逃逸系統即可滿足載人運載火箭的要求。

3.2 衛星發射衍生構型

以CZ-7火箭為基礎，通過調整助推器個數、增加固體推進劑助推器、增加上面級、增加氫氧三子級，可實現新一代中型運載火箭的系列化。其中，助推器和芯一級完全共用。基于CZ-7基本型火箭構建的中型運載火箭優先發展的構型包括：CZ-724、CZ-734、CZ-722/SM和CZ-722S(HO)（CZ-720(HO)），形成了一個運載能力覆蓋較為全面的中型運載火箭系列，詳見表2。圖3～5依次為CZ-7火箭LEO、太陽同步軌道（SSO）和地球同步轉移軌道（GTO）的運載能力覆蓋情況。

表2 CZ-7火箭及其衍生構型

4 結束語

CZ-7火箭于2016年6月25日完成首次飛行試驗，取得圓滿成功，火箭總體及各系統方案得到了全面驗證，關鍵技術得到突破。CZ-7火箭的成功研制，對于構建中國未來空間運輸體系和加快中國現役運載火箭的更新換代都具有重要意義。

圖3 LEO運載能力覆蓋情況

圖4 SSO運載能力覆蓋情況

圖5 GTO運載能力覆蓋情況

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General Scheme and Development Prospects for New Generation of Chinese Medium Launch Vehicle

Fan Rui-xiang1, Wang Xiao-jun1, Cheng Tang-ming2, Xu Li-jie2, Ma Ying2
(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing, 100076; 2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing, 100076)

Long March-7(CZ-7), as a new generation of medium and basic launch vehicle, with the design concepts of non-toxic and non-polluting , is developed for the purpose of launching a cargo space-flight to China space station. In the space station operation stage, CZ-7 meets the requirements of ensuring the freight transport while reducing the launch missions to reduce the maintenance cost and optimizing the organizational process. Based on the accumulation samples for the services of launching cargo space-flights and satellites, CZ-7 is adaptive to the mainstream satellites launch missions in the future with its characteristics of serialization and continuous optimization. CZ-7 is expected to launch a manned spacecraft in the future. CZ-7 performed its maiden flight successfully with all missions completed in 25th June, 2016. This paper presents a general review of CZ-7 in regard to the general scheme and provides references for the development prospects of medium launch vehicle series in China.

New generation medium launch vehicle; General scheme; CZ-7

V42

A

1004-7182(2016)04-0001-04

10.7654/j.issn.1004-7182.20160401

2016-07-19

范瑞祥（1965-），男，研究員，主要研究方向為運載火箭總體設計，現任長征七號運載火箭總設計師