解码中国天地货物运输体系长征七号与天舟飞船

　　作者：钱航
　　经中国航天科技集团公司一院授权刊发
　　按空间站在轨建造任务规划，2021-2022两年我国共实施11次飞行任务，包括3次空间站舱段发射，4次货运飞船发射及4次载人飞船发射。随着2021年两轮空间站建设（长五B遥二火箭发射天和核心舱，长七遥三火箭发射天舟二号货船，长二F遥十二火箭发射神十二飞船，长七遥四火箭发射天舟三号货船，长二F遥十三火箭发射神十三飞船）成功实施，此次长七遥五火箭发射开启了2022年新一轮建设。长征七号发射天舟货运飞船，往空间站发的＂快递＂是航天员生活补给、维修备件，还有科学实验设备。货运飞船要先于载人飞船发射升空，叫＂兵马未动，粮草先行＂，因此这4次载人飞船发射之前对应安排了4次货运飞船发射。
　　2022年5月由中国航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院（以下简称＂火箭院＂）抓总研制的长征七号遥五运载火箭（简称＂长七火箭＂）在海南文昌航天发射场点火起飞，成功将天舟四号货运飞船送入预定轨道，发射任务取得圆满成功。
　　长征七号火箭特点
　　长征七号运载火箭，是为我国载人空间站工程发射货运飞船而全新研制的新一代无毒无污染、高可靠、高安全的中型运载火箭，未来还将成为中国航天发射的主力型火箭，提升进入空间的能力。作为我国新一代中型运载火箭的基本构型，肩负着技术进步和更新换代的历史重任，其研制成功将为我国中型运载火箭型谱的构建奠定坚实的基础。
　　长征七号运载火箭的最早原型是长征二号H型，其综合长征二号的成熟技术又同时运用长征五号的新技术，定型为带助推的两级火箭，发动机改为新研制的液氧煤油发动机。火箭总长53.1米，捆绑4个助推器，起飞重量597吨，由＂结构、发动机、增压输送、控制、测量、总控网、动力测控、发射支持＂等八大系统组成，具有＂六大全新、三个绿色、一流可靠、全数字化＂的显著特点。
　　长征七号运载能力达到13.5吨，是新一代运载火箭出来之前以往火箭的1.5倍，达到国外同类火箭先进水平。
　　长征七号是我国目前发射占位最短的火箭。为了适应海南多台风的特点，也为了未来的高密度发射准备，长征七号需要具备在发射区快速发射的能力，简单准备后就能够发射，形象说就是＂即到即打＂。
　　长征七号是我国首次在海洋环境发射火箭，海南发射场与内陆发射场最大的不同是湿热多雨、台风频繁的海洋气候，而火箭上的许多精密仪器对外界环境非常敏感，长征七号具备在海南复杂气象、气候环境下全天候的发射能力，形象的说就是＂想打就打＂。
　　长七如何运输到发射场
　　文昌航天发射中心，是继酒泉、太原、西昌之后，我国的第四个卫星发射中心，也是我国首个低纬度滨海发射基地。打开手机上的地理坐标软件，清晰地显示航天中心的经纬度：北纬19度19分，东经109度48分。与全世界最著名的几大航天发射中心相比，仅比法国设在南美洲圭亚那库鲁的发射场高。
　　其实，早在上世纪70年代，中国在进行航天发射场选址时，就曾对在海南岛建设航天发射场进行评估，海南一度被列为当时最佳选址之一。但因为当时国际形势较为复杂，所以不得不将航天发射场设置在地处＂三线＂的大西北。
　　相比国内其他三个卫星发射中心，文昌具有三大优势：
　　首先是地处低纬、节约能耗。海南岛是中国陆地纬度最低、距离赤道最近的地区。火箭发射场距离赤道越近、纬度越低，发射卫星时就可以尽可能利用惯性产生的离心现象，因此所需要的能耗较低，使用同样燃料可以达到的速度也更快。据称，在海南发射地球同步卫星比在西昌发射火箭的运载能力可提高10%至15%，卫星寿命可延长2年以上。
　　第二，火箭发射更安全，在酒泉、太原、西昌发射中心，每次发射火箭，都要临时迁移大批居民，以防止第一级火箭坠落时对当地居民的伤害。而文昌卫星发射中心距离海边近，火箭发射后其第一级火箭坠落于南海，即可以避免对居民人身安全的伤害，又可以避免地面的危害。并且距离海边近将会大大提升残骸坠落的安全性。
　　第三，火箭运输更便利。对于运输大型火箭，不便于公路和铁路的运输，而文昌却可以大大缩小这些劣势，文昌卫星发射中心位于海南东北部，有着风景优美海岸线和优良港口，因此文昌卫星发射中心所使用的火箭是通过海运从天津转运海南文昌清澜港。
　　根据官方宣布的中国航天发展计划，文昌发射场将主要承担地球同步轨道卫星、大吨位空间站、货运飞船、探月工程三期、大质量极轨卫星等发射任务，以及对外发射服务。
　　长征七号首飞是我国运载火箭第一次在低纬度新发射场发射。相比以前铁路和公路运输到发射场，长征七号主要是＂乘船＂去海南的。长征系列火箭第一次由海路运往发射场，也是第一次打破铁路运输的限制实现整体运输。由此，翻开低纬发射的新篇章。
　　箭体采用＂海运 公路＂运输方式，完成总装测试后的箭体各模块装入集装箱，在天津港装船，海运至海南清澜港，然后通过公路运输将集装箱运至发射场。一枚长征七号火箭采用一艘火箭运输船运输。到达海南文昌航天发射场后，装载火箭部件的集装箱分批卸载，并通过公路运输至航天发射场火箭水平转载准备厂房。
　　由于箱体超长体积较大，路况复杂，在运输过程中严格按照技术指标和运输速度的要求进行控制。所有车辆逐台通过清澜大桥，整个运输过程非常顺利，安全、准确、准时。
　　长七如何适应新发射场
　　在长征七号火箭的设计中，如何适应文昌新发射场的环境一直是研制人员关注的重点。
　　第一、火箭做＂防水＂
　　现役长征火箭发射，选择窗口时都会专门避开雷雨天，而长征七号新一代运载火箭则能在雨中发射。因为考虑到海南发射场气候潮湿，全年降水量大且湿度高。另外，长征七号的燃料中有液态氧，它的温度是-183 ，因此火箭表面会出现水蒸气凝结的现象。
　　长征七号对＂水＂的防护渗透到了每个设计细节当中，在常规型号中，用来平衡整流罩内外压力的排气孔，在内陆发射时不用做单独的防水，但是在长征七号火箭的身上，排气孔也做了专门的防水措施。
　　第二、能抗8级大风
　　相比于内陆戈壁上每秒9米左右的风速，文昌发射场的风速经常达到每秒20米。为了保证火箭时刻都站得住站得稳，设计人员专门为它设计了防风减载装置，可以在8级大风的情况下进行垂直转运，抗风能力为目前长征家族之最。
　　第三、体重大多是燃料
　　虽然长征七号火箭起飞重量接近600吨，但里面钢筋铁骨的结构和设备占重量比例很小，大部分都是燃料。作为卫星等航天器前往太空的＂专车＂，自身重量越低，燃料越充足，能够运送的＂乘客＂也就越多。
　　第四、动力系统强大
　　长征七号的动力系统变化很大，采用无毒无污染的液氧煤油作为燃料。液氧煤油发动机被誉为世界航天动力领域的珠穆朗玛峰。其采用最先进的高压补燃循环系统，其推力比现有＂长征＂系列运载火箭发动机提高60%以上，运载能力是原来的3倍左右。液氧和煤油都是环保燃料，没有污染。经济上，比常规发动机推进剂便宜60%；更重要的是其可重复使用。
　　液氧煤油补燃循环发动机的研制，使我国在液体火箭技术领域实现了重大跨越，成为世界上第二个掌握此项技术的国家，实现了我国运载火箭的更新换代，为我国新一代载人火箭提供强大的动力。
　　第五、推进剂可安全停放24小时
　　与以往长征火箭发射前几个小时开始加注不同，长征七号经过专门设计和演练，它的液氧和煤油推进剂组合虽然属于低温燃料，但是可以安全停放24个小时，这样便可以灵活应对多种发射需求，而且在发射前程序最为复杂的阶段，减少了工作量，可以为成功发射争取更多有利时间，提高可靠性。在2021年上半年长征七号遥三火箭尝试发射中止，火箭燃料两加两泄，火箭一度在大量的低温燃料加注后暴露这么长的时间，这在中国航天史上是第一次，也正是由于对低温燃料安全设计保证了这次排故过程顺利进行。
　　第六、发射平台喷水降温
　　长征七号火箭发射点火的刹那，温度会高达2800 ，和过去主要起支撑作用的钢制发射平台不同，海南文昌发射场使用的新一代发射平台里面装载着仪器设备，而且也需要多次使用，所以专门采用喷水降温和涂特种防护涂层等方式，使它不怕被高温摧毁。
　　长七技术创新
　　第一、长征七号火箭地轨运载能力实现新的跨越，将我国中型运载火箭LEO轨道的运载能力由8.6吨提高至13.5吨，达到国外同类火箭先进水平。
　　第二、绿色无毒无污染，顺应国际潮流，全箭采用我国具有自主知识产权、交付前可进行工艺试车的两种液氧/煤油发动机，无毒、无污染，秉承了中国航天绿色环保的发展理念，顺应国际潮流。
　　第三、高可靠、高安全设计，长征七号火箭秉承载人航天标准，按照＂一度故障工作，二度故障安全＂的设计原则，将高可靠融入设计中，控制系统和增压系统均实现了系统和元件级冗余；秉承简单即可靠的理念，做了多项改进设计；发射可靠性达到0.98，达到国际先进水平。
　　第四、全三维数字化设计，采用三维无图纸设计/制造技术，打通了从设计到制造的全三维流程；广泛应用数字化手段，基于统一的三维模型实现了设计、分析、仿真、生产与总装的数字化研制新模式，建立了标准规范，为其它型号的推广应用树立了典范。基于数字模装及数字化仿真，在设计阶段提前发现大量不协调问题并得到及时解决，减小了产品报废率，缩短了研制流程。
　　天舟货运飞船特点
　　空间站长期运营期间，会有多个舱段的发射与组装、多种运行模式下的状态维持与控制，每年数次补给和航天员访问，数量众多的组部件或设备的维护维修工作，上百种有效载荷的管理及其操作规划等。空间站任务需求呈现多样化和复杂化，因此需要综合考虑运营过程中各种影响因素的关系，以实现综合集成和整体优化，力求在确保空间站正常运营的基础上最小化空间站运营的成本。天舟货运飞船任务被规划为空间站战术级运营规划的一部分，包括推进剂和生活物资的补给、医疗设备及药品、维护和维修物品的补充、空间实验设备上行等。
　　天舟货运飞船基于型谱化、模块化设计思想开展了平台构型和布局设计，设计有全密封、半开放和全开放三种型谱。货运飞船采用货物舱和推进舱两舱设计，货物舱用于运输各类物资，推进舱提供能源和动力。飞船新增货物保障、推进剂补加、绕飞交会对接、手控遥操作、组合体姿轨控制支撑功能。整船沿用＂天宫一号＂目标飞行器和＂神舟＂载人系列飞船及其他成熟型号产品的占比超过70％，如采用了＂天宫一号＂的半刚性太阳电池翼，框架、网格和太阳电池模块的组成形式可大大降低低轨空间等离子体和原子样氧剥蚀效应的影响，不仅提高货运飞船能源系统的寿命，还降低研制成本和风险。
　　天舟货运飞船由密封货物舱和推进舱构成，整船总长10.6米，舱体最大直径3.35米，太阳电池翼展开后的最大宽度近15米。
　　货物舱由前锥段、柱段和后锥段组成。前锥段主要安装主动对接机构、交会对接设备和补加设备，用于支持与目标飞行器/空间站核心舱的交会对接和推进剂补加。柱段根据物资运送需求，有密封和非密封两种结构，可运送大型暴露载荷及设备，如在空间站在轨释放的卫星。柱段舱外可安装空间碎片防护板、推进剂补加管路及货物，内部安装照明灯和环控生保设备。后锥段安装有一些平台电子设备。全密封货物舱柱段长4米，上行货物装载空间大于21立方米；半密封货物舱柱段分两个部分，前半部分与前锥段形成密封货舱，上行货物装载空间大于11立方米，后半部分为开放式的货盘，用于放置小型的暴露载荷柔性太阳电池翼。
　　推进舱是非密封的柱状构型，安装有电源系统、推进补加系统、测控与通信系统、主承力模块等重要平台设备。舱外安装两个半刚性太阳电池翼和一个中继天线。舱底中心安装了4个490牛轨控发动机、4个150牛正推发动机、4个平移机组。
　　天舟货运飞船还要承载空间站废弃物，将其带回大气层烧毁。天舟货船的最大上行载货量达6.5吨，在满载情况下总重量为13.5吨，推进剂补加能力达2.1吨。与国外同类现役货运飞船相比，它上行能力强大，载货比(最大载货量与满载时货运飞船总重量之比)高。在上行物资能力方面，现役的俄罗斯＂进步M1号＂货运飞船的上行能力为3.2吨；美国＂天鹅座＂改进型货运飞船的上行能力是3.5吨；已经退役的欧空局自动转移飞行器ATV的上行能力能达7.67吨，但是它在满载情况下的重量非常大，超过20吨。在载货比方面，＂进步号＂系列飞船为0.43，ATV为0.37，天舟货运飞船为0.48，＂天鹅座＂货运飞船为0.66。虽然，＂天鹅座＂的载货比最高，但是它不能在轨进行推进剂补加和自主交会对接，而这些功能天舟全部具备。
　　天舟如何进行燃料补加
　　到目前为止，掌握了在轨推进剂加注技术的国家只有俄罗斯和美国，其中实现在轨加注应用的只有俄罗斯，采用的是气体回用法；美国没有进行过在轨加注应用，但通过飞行试验掌握了加压加注技术。加压法系统简单，但推进剂加压温升带来了安全隐患，同时补加方需消耗一定量的高压气体。气体回用法系统复杂，技术难度大，但气体资源无消耗，技术一旦突破对长期在轨的空间站更为有利。考虑我国空间站长期在轨推进剂补加需求，天舟货运飞船联合空间站采用＂增压气体回用 推进剂恒压挤压＂技术方案。货运飞船完成与被补加飞行器的推进剂管路对接与密封，由被补加飞行器压气机将贮箱气腔内增压气体回抽至气瓶，降低贮箱背压，以具备接收推进剂条件，货运飞船再以恒压方式将推进剂输送至被补加飞行器膜盒贮箱，并吹除连接管路推进剂和脱开连接管路，完成推进剂补加。
　　天舟如何进行交会对接
　　货运飞船与空间站交会对接是实现货物补给和推进剂补加的基础，是货运飞船关键任务功能之一。全相位交会对接扩展了货运飞船的发射窗口，提高了空间站运营管理的灵活性，全自主快速交会对接为空间站快速货物补给和人员运送奠定了技术基础，全方位绕飞交会对接解决了空间站阶段多艘飞船停靠不同对接口的问题。
　　2012年8月2日，俄罗斯进步M-16M货运飞船首次测试快速对接模式，但关键事件仍需要地面干预。天舟货运飞船首次提出了基于绝对定位数据的快速交会对接自主导航与制导方案，解决了依靠地面定轨、计算、注入时间长难以实施快速交会对接的难题，交会对接时间由2天缩短至6.5小时，在国际上首次实施了全自主的快速交会对接。设计了前向、后向、径向绕飞方案，可与空间站不同对接口对接，提高了任务适应能力。
　　对接机构设计了主动控制电子阻尼器方案，解决了与大偏心构型空间站(例如未来出现的＂L＂型)对接时俯仰和偏航方向能量缓冲消散难题，具备了与空间站全部构型对接适应能力。
　　天舟技术创新
　　第一、天舟货运飞船是面向空间站建造和运营物资运输补给任务全新研制的载人航天器，上行载货比、货物运输、推进剂补加等综合能力比肩甚至优于国际现役货运飞船。
　　第二、突破推进剂补加技术，是实施我国空间站组装建造和运营关键之一。
　　第三、以天基测控体制为主的原则进行设计，实现了关键事件全程跟踪测控、在轨异常及时监测处置，减少了对陆基测控站和海基测量船的依赖。
　　第四、具备自主快速交会对接能力，采用自主导引模式，完全依靠船上设备导航和控制，在6.5小时内自主规划、多次变轨实现交会对接。
　　重要意义
　　长征七号火箭和天舟货运飞船的研制突破并掌握了一大批具有完全自主知识产权的全新技术，推动了我国运载火箭和货运飞船技术的进步，培养了一批技术人才，牵引着天津航天基地和海南文昌发射场的建设，也为后续新一代火箭和飞船的研制打下了良好基础。长征七号火箭和天舟货运飞船对于构建我国空间运输体系具有重要的意义。
　　文中图片由中国航天科技集团公司一院提供
　　摄影：吴桐小雨、高文豪