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一文看懂中国火箭技术的命名规则

一文看懂中国火箭技术的命名规则 寂静的夜晚突然被一阵轰鸣声打破,紧接着,一枚长30米、直径2.25米、80吨起飞质量的火箭,用炽热的火焰划破了夜空,向南方飞去。


15分钟之后,来自太空的我国第一颗人造卫星“东方红一号”,播放着“东方红”乐曲向世界宣告:中国人也有能力进军太空。


而承载着“中国火箭技术”进入太空的,正是我国第一枚运载火箭——“长征一号”。


“长征”——提起这两个字,很多人的脑海里肯定会想到这两件事情:一件是80多年前红军那二万五千里的漫漫征途,再一件就是50年来不断将我国的卫星和航天员送入太空的“长征”系列运载火箭。


火箭的命名其实与长征本身也是紧密联系在一起的。


在我国运载火箭设计之初,新成立的七机部第一研究院(也就是中国运载火箭技术研究院的前身)的同志们受毛主席《七律·长征》中表达出来的红军为实现革命目标不畏艰辛、顽强奋斗的精神启发,提出了将我国运载火箭命名为“长征”的构想,并获得上级批准。


“长征”之名,寓意着我国的运载火箭事业会像红军长征一样克服一切艰难险阻,最终到达胜利的彼岸。


星星之火


长征一号(CZ-1)运载火箭,脱胎于1965年3月钱学森提出的“八年四弹”计划中发展出来的中远程导弹东风4型,在导弹的二级上面加装了一枚用于入轨的固体燃料三级,并先后将“东方红一号”卫星和“实践一号”卫星成功送入了预定轨道,实现了火箭与卫星从无到有的历史性突破。


长征一号火箭的发展过程(图片来源:火箭原图来自中国运载火箭技术研究院,作者有加工)


在此之后,我国开始对CZ-1进行改进以能够发射更重的载荷,先后发展了CZ-1A、CZ-1B、CZ-1C和CZ-1D四个后续型号,但其中只有提升了一级推力,将二级氧化剂由红烟硝酸换为能量更大的四氧化二氮,并更换更大、更先进固体燃料三级的CZ-1D型投入了实际发射中,CZ-1A、CZ-1B和CZ-1C型分别计划采用低温液体燃料三级、意大利制造的固体燃料三级与常规液体燃料三级,但由于种种原因,都只停留在了图纸上并未继续发展。


虽然长征一号解决了我国运载火箭从无到有的问题,但是要发射更重的载荷,例如重达1.8吨的返回式卫星(或者往很远的地方送去好多件快递),以长征一号中远程弹道导弹的底子就有些力不从心了。


为了能够发射更重的载荷,航天人们就从“八年四弹”计划中找出了刚刚发展成熟的,比东风4更粗更大的洲际弹道导弹,也就是东风5型洲际导弹,以她为蓝本,改进并发展出了长征二号(CZ-2)运载火箭。


最初的长征二号实际上与东风5型洲际导弹并没有太大区别,甚至最早的几发长征二号就是直接用东风5型洲际导弹改装来的,只是把载荷换成了卫星而已。但是随着后续的改进,长征二号与东风5型差异越来越大,发展出了CZ-2C/D/E/F四个改进型号,此外长征三号和四号的都是以长征二号为基础或者直接采用了长征二号的一二级结构,使得CZ-2火箭成为了长征五号出现之前长征系列火箭的核心型号。


长征二号改进型中的CZ-2C在CZ-2基本型的基础上加长了燃料箱,更换了更高性能的二级发动机和更先进的导航系统,2.4吨的近地轨道(LEO)运载能力相比CZ-2基本型的1.8吨有了相当大的提升,其经过大量改进后仍然在役;CZ-2D是长征二号家族中比较奇怪的一个,她不是基于CZ-2C改进而来的,而是由CZ-4A去掉三级并延长二级燃料箱改装而来,LEO载荷比早期型号的CZ-2C更高,达到了3.1吨,但经历了多年发展后,CZ-2C与CZ-2D的运载能力日益趋同,均达到了约4吨的LEO运力。



长征二号系列火箭发展过程(图片来源:火箭原图来自中国运载火箭技术研究院、百度百科,作者有加工)


到了上世纪80年代,为了扩大航天工业的对外贸易,我国开始规划让长征运载火箭进入国际发射市场。然而我国在调研了国际发射市场之后,发现现有的火箭似乎不够大,同时我们又需要尽快给国外的客户拿出称职的火箭。这可怎么办?


想要提升火箭的运力,那就要把火箭搞得更大;同时又为了尽快拿出新火箭,那就只能在既有火箭型号上面下功夫。


想把既有的火箭做的更大,常用的办法是箭体直径不变,把燃料箱加长以多装燃料,俗称“拉皮”,燃料装的越多,发动机工作越久,可以运载的载荷就更大。但同时火箭的总重也会越来越大,当拉皮拉到了一定程度,现有的火箭发动机推力就不够了,时间又不允许重新设计更大的发动机了,怎么办?


说来也简单,多装几个发动机就完事了,但是现有的火箭箭体空间有限,装不下——那就在现有的火箭侧面捆上几个装着发动机的小火箭。


于是CZ-2E,也就是俗称的“长二捆”诞生了,主要改动就是把CZ-2C的一二级分别加长,并捆绑设置了4个助推器,连捆绑带拉皮,一顿操作直接将2C原本2-3吨的LEO运载能力提升到了9.2吨,加装固体燃料上面级之后更是可以将3吨的载荷送入同步转移轨道(GTO),顺利地向国外的卫星制造商交出了合格的作业。


而在“长二捆”的基础上进一步有针对地提升可靠性和安全性,我们就得到了别称“神箭”的CZ-2F型运载火箭,她以13次发射全部成功,100%的完美发射成功率将11艘神舟飞船、11名航天员和两个空间实验室送上了太空,实现了我国千年来的载人飞天梦。


读到这里可能有人会问,上文说到的长征二号系列为什么从长征二号基本型直接跳到了长征二号C?A、B型去哪里了?


目前关于这两个型号有两种说法,其中一种说法是CZ-2A为基于CZ-2基本型的小幅度改进产物,只发射了两次,后来为方便统计,将其归入了CZ-2C中。


另外一种说法是根据当年七机部制定的项目名称,长征二号甲(CZ-2A)与长征二号乙(CZ-2B)分别为投送GTO载荷而设计的两种基于长征二号的改进型,CZ-2A为东风5加装常规液体三级的火箭,CZ-2B为加装液氢液氧燃料三级的火箭,两个方案同步推进,最终CZ-2A发展成了长征四号系列火箭,CZ-2B发展成为长征三号系列火箭。


同气连枝


长征三号(CZ-3)火箭是我国最早采用液氢液氧作为推进剂的火箭。最初的CZ-3仅仅是在CZ-2C上面加装了一个2.25m直径的液氢液氧燃料三级,看起来十分细长,运载能力也一般,GTO运力仅1.6吨,但是这也足以把当时咱们自己研发的东方红二号同步轨道通讯卫星发射上去了。


然而随着后续技术的进步和需求的提升,卫星越来越重,基本型CZ-3已经难以将更重、更大的卫星送入同步转移轨道上,所以后来在CZ-3基本型的基础上拉长了燃料箱,重新设计了一个3.0m直径的三级,并且更换了性能更先进、推力更大的氢氧发动机——金牌火箭“长三甲”系列就此诞生。


长征三号系列火箭发展过程(图片来源:火箭原图来自中国运载火箭技术研究院、百度百科,作者有加工)


“长三甲”系列火箭包含了三个子型号,长征三号甲(CZ-3A)、长征三号乙(CZ-3B)和长征三号丙(CZ-3C),其中CZ-3A发展的最早,总体上就是基本型长征三号更换了一个更好性能的三级,同步转移轨道运载能力达到了2.6吨。值得一提的是,2007年10月24日,CZ-3A成功的将我国第一颗探月卫星“嫦娥一号”发射升空,揭开了我国探月工程的帷幕。


为了能够实现一箭多星和更大质量同步卫星的发射,CZ-3B在CZ-3A箭体的基础上捆绑了4个“长二捆”的助推器,使得其同步转移轨道运载能力达到了5.1吨,成为了我国在长征五号出现之前运载能力最强的火箭。


长三乙在1996年首次发射之后经历了20多年的改进历程,目前已经到了改三Z型,运用了大量的新技术新方案,可靠性和运载能力均得到了提升,GTO运力达到了5.5吨,从2017年10月到2020年3月,长三乙25次发射全部成功,在嫦娥探月计划和北斗导航系统的建设中立下了汗马功劳,还获得了“劳模”的外号。


此外,有一些用CZ-3B发射的卫星没有办法完全“喂饱”她5吨多的运载能力,会造成浪费,这种时候就需要做一点“减法”,比如把四个从“长二捆”那里拿来的助推器还回去两个,只装两个2.25m助推器,就成了长征三号丙(CZ-3C)。她3.8吨的同步转移轨道运力在长三甲的2.6吨和长三乙5.5吨之间,可以把用长三甲没法打、用长三乙太浪费的卫星更经济、更实惠地发射到轨道上去。


上世纪七十年代,周恩来总理感到航天事业的重要性与紧迫性,结合上海较为先进的工业水平,提出“上海也能搞东风导弹”,实施“两条腿走路”的战略。受到周总理指示的鼓舞,上海机电二局(上海航天技术研究院的前身)开始研发“风暴一号”(FB-1)火箭。


作为承担我国首次“一箭三星”发射任务的风暴一号火箭,是我国火箭家族中少有的不以“长征”命名的火箭之一,但实际上它与长征二号都是以东风5型洲际导弹为蓝本改进而来。二者性能、结构和技术指标都非常相似,从某种意义上说,CZ-2是北京版“东风5”改,FB-1是上海版“东风5”改


风暴一号与长征二号最大的不同点在于风暴一号的二级火箭发动机与长征二号略有不同,但是风暴一号的二级发动机可靠性并不是太好,多次导致发射任务失败,所以后来使用了长征二号的二级发动机。但此时风暴一号与长征二号已无太大差别,风暴一号的发展就此停止。


不过风暴一号的技术成果并没有被白费,上海机电二局以风暴一号为基础,成功开发了服役至今的长征四号系列和长征二号D型运载火箭。


最初的长征四号(CZ-4)运载火箭其实是与长征三号竞争发展的一个项目名称为长征二号甲的方案,都是为了将卫星发射到同步转移轨道(GTO)上去,由于当时国内没有研制液氢液氧燃料发动机的经验,担心火箭会拖慢同步卫星的发射进度,所以,另外指示上海发展了一款火箭作为兜底,这款火箭是在风暴一号(也就是东风5)的基础上加装一个常温液体燃料的第三级,用于发射同步轨道卫星,最早的长征四号诞生了。


后来,长征三号发展颇为顺利,但作为另一方案的长征四号进度也很快,为了不浪费现有成果,同时为了发射太阳同步轨道(SSO)气象卫星风云一号,便将长征四号进一步改进为发射SSO载荷的长征四号甲(CZ-4A)型火箭,其SSO运力达到了2.5吨。


长征四号系列运载火箭发展过程(图片来源:火箭原图来自中国运载火箭技术研究院、百度百科,作者有加工)


在此之后长征四号系列发展成为了专门用于发射SSO载荷的运载火箭,在CZ-4A的基础上发展了CZ-4B/C两种改进型火箭;CZ-4B改进了二级发动机、采用了更大尺寸的整流罩,其SSO运力达到了2.65吨;CZ-4C为了进一步提升运载能力,在CZ-4B的基础上更换了可以二次启动的三级发动机,SSO运力大幅提升至3.1吨。


当然,CZ-4系列发射高轨道的“老本行”其实也没有被放弃,2018年5月,鹊桥号地月中继卫星就是由长征四号C型火箭发射的。


继往开来


随着上世纪九十年代长三乙等一系列火箭的首飞,中国完善了火箭体系,但同时既有的长征火箭也暴露出一系列问题。包括燃料成本高昂且剧毒、直径偏小、型号偏多和型谱重叠等。例如尚在服役的CZ-2C与CZ-2D,二者的LEO运载能力近似,均为3-4吨,却一直作为两个独立的型号存在,这就是一种航天资源的浪费。


同时,随着卫星小型化、微型化技术的发展,微小卫星因为制造成本低、研发速度快等优势,在卫星领域异军突起,成为了一支不可小觑的力量。为了适配微小卫星的发射需求,发射成本低、运载能力合适的小型火箭也成为了新的发展目标。


此外,随着中国载人航天工程的持续推进,未来的空间站以及其它大质量卫星的发射需求也超过了当时“老长征”火箭的运载能力,研发新型火箭的需求越来越急迫。到了2002年,为了解决“老长征”火箭的一系列历史遗留问题,航天部门提出了“模块化研制、积木式发展”的想法,并且根据这个想法确定了“一个系列、两种发动机、三个模块”的发展思路以及“通用化、系列化、组合化”的设计思想,这在2006年新火箭立项开始研制时公布的方案中得到了充分体现。


在最初的设计方案中,新一代火箭长征五号只需要设计三个模块:5m直径液氢液氧燃料的火箭芯级、使用液氧煤油燃料的3.35m直径模块和同种燃料的2.25m直径模块。外加新型50吨推力的YF-77氢氧燃料发动机和120吨推力的YF-100液氧煤油发动机,它们共同构成了最初长征五号的设计方案。


当时的长征五号一共有6种不同的构型,它们以直径5米的芯级为核心,通过将3.35m和2.25m两种直径的助推器进行类似于搭积木一样的互相搭配,覆盖了LEO10-25吨、GTO6-14吨的巨大运力范围。


例如使用5m直径一级捆绑4个2.25m助推器的一级半构型,LEO运力就是10吨;把助推器换成4个3.35m直径的大助推器,LEO运力就能达到25吨。


又或者使用5m直径的一级再加一个二级,捆绑4个2.25m直径的助推器,就能实现6吨的GTO运力;把助推器换成3.35m直径,就能实现14吨的GTO运力。


新时代长征系列运载火箭的发展过程(图片来源:火箭原图来自中国运载火箭技术研究院、百度百科,作者有加工)


除此之外,还可以将3.35m和2.25m模块单独作为火箭芯级使用,成为新的中、小型系列火箭,以替代使用剧毒燃料的“老长征”系列。


此后,长征五号火箭的方案经历过一些更改,到了2009年与2010年,原本作为长征五号系列中衍生型号的小、中型火箭分别独立出去,形成了长征六号与长征七号两个新系列,长征五号系列中仅剩下5米芯级直径的大型火箭,同时为了避免像过去CZ-2C、2D运力重叠的情况。


长征五号最初的6个方案中只保留了LEO与GTO运力最大的两个方案,就是现在的长征五号和刚刚成功发射的长征五号B火箭,其他运力范围的发射任务由后来发展出的长征六号与七号承担。


长五B发射(图片来源:江程杰)


长征六号设计之初为长征五号计划中的小型运载火箭,后于2009年从计划中独立出来单独发展,采用了长征五号计划中研发的高压补燃循环液氧煤油发动机YF-100,和利用同样技术开发的YF-115,同时配合2.5m、3.5m两种直径模块。


相比起长征五号追求最大运力,长征六号的目标则是轻小载荷的发射,其最大太阳同步轨道运载能力只有1吨,解决了我国没有小型运载火箭的问题,满足了微小卫星的发射需求,此外,她还具备较低的发射成本和快速准备能力。


低发射成本并不代表不可靠,长征六号设计时遵循着“简单即可靠”的设计原则,搭配以严格的质量管理措施,其可靠性达到了0.98,比承担载人任务的“神箭”CZ-2F的可靠性(0.97)还要高。


长征七号(CZ-7)最早的计划其实是在CZ-2F的基础上进行改进,项目代号是CZ-2F/H,“H”就是“换发”的意思,即将老旧的使用偏二甲肼/四氧化二氮剧毒燃料的YF-20系列发动机更换为CZ-5项目中正在研制的性能更好、燃料无毒还便宜的YF-100和YF-115型液氧煤油发动机。


与CZ-5早期发展方案类似,CZ-7也可以通过类似于搭积木的方式搭配不同的助推器与二三级,形成不同子型号,以发射多种不同重量等级的卫星。


为了方便区分之后有可能出现的不同模块搭配的火箭子型号,对其进行了重新命名,名称为CZ-7XYZ。


其中X是级数,Y是助推器个数,Z是助推器类型。


使用固体燃料助推器的构型用S表示,对液体燃料助推器省略。


有上面级的构型增加/上面级加以区分,其中芯二级采用氢氧发动机的构形,增加(HO)加以区分。


例如捆绑2个2.25m 直径的固体燃料助推器、芯二级采用氢氧发动机的2级构型命名为CZ-722S(HO)。按照上述命名规则,基本型CZ-7 代号为CZ-724,简称CZ-7。


又比如把长三甲系列的氢氧燃料三级装到CZ-7基本型上,就成了长征七号改(CZ-7A),代号CZ-734,可以用于发射6-7吨重的GTO载荷。遗憾的是,今年三月CZ-7A的首次发射就遭遇了失败,但道路是曲折的,前途是光明的,当年首飞直接撞山的长三乙到现在不还是变身“劳模”,担起了北斗导航系统建设的重任,还把嫦娥三号和四号探测器成功的送到了月球吗?


除了长征五、六、七号之外,利用新型固体燃料弹道导弹技术改进的长征11号、快舟系列运载火箭以其快速响应、快速发射的优越特性,与同样可以快速发射的CZ-6在近年来的小卫星发射活动中占据了一席之地,可谓“固液两开花”。


长征11号运载火箭的起飞质量仅120吨,SSO运载能力400kg~700kg,最大的亮点在于其超短的发射准备时间,只需要24小时就可以完成星箭技术准备和发射任务,实现卫星的快速组网和补网,可以满足在发生突发事件时应急快速发射的需求。除此之外,很多微小卫星需要发射的轨道差异较大,同时安装在中型火箭上通过“搭车”的方式发射升空又要等很久,但如果直接使用小型火箭发射,则可以根据自身需求定制轨道参数,还可以在很短的时间内就将卫星发射升空,这在商业卫星领域的诱惑力是巨大的。


与“长征十一号”相似的“快舟”系列固体火箭在前不久的淘宝直播上吸足了眼球,它的技术路径与“长征十一号”类似,在此就不再赘述。随着我国航天“商业化”的脚步加快,未来或许也会有更加丰富多彩的航天产品在等着我们。


中国运载火箭发展“科技树”(图片来源:火箭原图来自中国运载火箭技术研究院、百度百科,作者有加工)


从长征一号到长征十一号,中国航天事业历经了50年的艰难长征,取得了一系列辉煌的成就。


“实践”“风云”“神舟”“北斗”“嫦娥”“天宫”“天舟”“悟空”“墨子”……这些熟悉的名字经由“长征”系列运载火箭的托举,进入了广阔的太空之中。可以说,一代代“长征”火箭,是一代代中国人艰苦奋斗、自力更生的回忆。我们在发射前期待满满,我们在发射时神情紧张,我们在成功后欢欣鼓舞。


进军太空的旅程又赋予了“长征”系列运载火箭一个新的含义——突破群星间的距离,将是一场更加遥远艰险的长征。但我们依然对广袤的宇宙心驰神往。


更大、更先进的火箭呼之欲出,它可能也将冠以“长征”之名。


未来,我们将建设自己的空间站,取回来自月球的第一抔土,我们将向火星投送着陆器,我们还将飞出小行星带,甚至还将要前往更加浩渺的星际空间中。我们还可能将在未来载人登月,新时代的“嫦娥”将踏足广寒。


而始终不变的,是“长征”火箭的呼号,是我们长征太空的梦想。


“待来日,去星辰大海,九天翱翔!”


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