技术派｜长征七号即将首飞，绿色环保+更先进的上面级

据最新消息，长征七号火箭已经从文昌发射中心的技术区转运到发射区，各系统调试检查工作已经完成，并于今天对火箭进行燃料的加注，为发射做最后的准备，将在今晚至29日间择机发射。长征七号火箭无论从燃料还是运力上都有了巨大的进步，将为中国航天提供新的舞台。

环保绿色火箭

长征七号火箭是为发射“天舟”货运飞船而研制的新一代高可靠性中型运载火箭，它具有很多全新的特点和设计，而其中最值得称道的，当属它绿色环保的特征，其最关键之处就在于它的新型液氧煤油发动机。

我国老一代长征火箭发动机被航天爱好者们无奈地称为“毒发”。以发射“神舟”系列载人飞船的长征二号-F火箭为例，它的YF-20火箭发动机使用的是四氧化二氮加偏二甲肼的组合推进剂。虽然两者燃烧后的产物以水和氮气为主，并无污染，但它们本身却是剧毒有污染的化学品，前者是强氧化剂遇水就是硝酸，后者是剧毒的强还原剂，具有腐蚀作用，易溶于水，也会通过皮肤吸收，具备致癌作用。人体如果不慎接触到大量的偏二甲肼，就会引发中枢神经受损，即使是少量接触，也容易对肝脏造成损害。此外，四氧化二氮和偏二甲肼的生产、运输、存储和加注都相当麻烦，而且安全系数多，容易产生二次污染。

四氧化二氮和偏二甲肼仅有的好处是在常温状态下可以稳定存储，这对弹道导弹战备值班十分有利，因此美国的“大力神”导弹、苏联的“撒旦”导弹和中国的“东风五号”洲际导弹都使用了四氧化二氮和偏二甲肼的推进剂组合。而基于这些导弹衍生而来的运载火箭，很长时间都在发射场上占有一席之地。但是，偏二甲肼毒性过强，众多航天大国在研制新一代运载火箭时，都不约而同地放弃了这种燃料。

长征七号的YF-100液氧煤油发动机使用液氧和煤油作为推进剂，液氧煤油推进剂不仅无毒无污染、容易储存，而且成本更为低廉，长征七号火箭使用液氧煤油后能比长征二号-F使用的有毒偏二甲肼和四氧化二氮便宜六成。根据中国工程院张贵田院士的文章，我国从事偏二甲肼推进剂发动机试验的工作人员中高达60%的人患有不同程度的肝病，而接触煤油的人完全不会有这么糟糕的问题，为火箭加注液氧煤油的工作人员也不必担心泄漏造成中毒事故。而且，海南作为景色宜人的传统旅游地区，使用绿色环保的液氧煤油推进剂能够避免剧毒推进剂可能产生的泄漏污染，有效保护当地经济和生态资源，甚至为航天科普游开辟了可能。

YF-100发动机不仅绿色环保，而且推力更大比冲更高，使火箭具有更高的性能。YF-100发动机是我国研发的高压补燃循环液氧煤油发动机。事实上，去年它已经在我国发射的长征六号小型火箭上小试牛刀，现在它又将在长征七号火箭上大显身手。长征七号火箭采取的发射方式是6台YF-100发动机并联工作，使总推力达到了730吨，可以将总重约600吨的长征七号火箭送入太空，近地轨道运载能力高达13.5吨。

大有前途的上面级

根据官方报道，长征七号火箭除了助推器、第一级和第二级构成的基础级外，首次发射中还将使用远征上面级。上面级是一种特殊的航天器，它具有动力系统并可长时间工作，可以通过多次启动把多颗卫星等有效载荷送入不同的轨道或是位置，所以它也被形象地称为“太空摆渡车”。

中国的航天爱好者们对远征上面级肯定不陌生。去年发射的远征一号的上面级是我国首个使用液体推进剂的上面级，在轨工作时间长达6.5小时。我国曾使用长征三号甲系列火箭和远征一号上面级的组合，把北斗试验卫星直接送入距离地面约2万公里的中高度圆轨道。它的问世大大增强了我国运载火箭的任务适应性。

细心的读者肯定会留意到，长征三号甲/远征一号发射北斗卫星时，有媒体报道提到远征一号上面级只具备进行两次点火启动的能力，这和经典定义的上面级其实还是有些差距的。而长征七号火箭首次发射采用的远征一号上面级经过了进一步改进，将弥补这个遗憾。根据已有的报道，长征七号火箭首飞将搭载5类载荷，控制6个目标，协调起来甚至比以往的交会对接任务都更为复杂。远征一号上面级将发射新一代多用途飞船的缩比返回舱，还将发射释放多颗小卫星，在约20小时的飞行中进行多次点火。这就意味着，远征一号上面级将成为我国第一种具备多次启动能力的上面级，能够将不同卫星送入不同轨道、或是送入同一轨道的不同位置，对未来发射小卫星大有裨益。就在6月22日，印度使用PSLV火箭进行了一箭21星的发射任务，超过了去年长征六号火箭创下的亚洲航天一箭20星的纪录，但无论是长征六号还是PSLV火箭都是天女散花式的释放，没有远征一号上面级这样的不同轨道不同位置的精确入轨能力。

毫不夸张地说，长征七号火箭首飞固然引人注目，首飞中使用的远征一号上面级改进型，同样大有前途。验证了多次点火启动和更长时间的工作能力后，未来我国可能使用远征一号上面级一箭双星将北斗卫星送入导航卫星星座的不同轨道位置，或是将通信卫星直接送入静止轨道，它也可以把大量小卫星送入不同的近地轨道组网工作。俄罗斯Fregat上面级的初衷是作为星际探测器的巡航段，比如殃及我国萤火一号的俄罗斯福布斯-土壤探测器，就使用Fregat作为巡航段，而正是Fregat点火失败，导致探测器很快落入大气层烧毁。反过来说，具备多次点火能力的远征一号上面级也可以改进为中国星际探测器的巡航段，用于近月制动、近火制动等操作，为发展我国的深空探测发挥重要作用。

载人航天的"老黄牛"

绿色的长征七号火箭适合在旅游胜地海南岛使用，而远征一号上面级更可能在未来大放异彩，但研制长征七号火箭的初衷，还是作为载人航天工程的运输工具。

长征二号F火箭早期运载能力约为7.8吨，经过多次改进后已经超过了8吨，而天舟货运飞船最大重量超过13吨，远远超过了长征二号F火箭的运载能力。为了发射天舟飞船，921载人航天工程决定专门研制新的运载火箭，这就是长征七号火箭。长征七号火箭是天舟系列货运飞船的专用发射工具，正因为如此，它设计上十分强调可靠性，固有发射可靠性达到了0.98。它使用新的测试和发射系统，即垂直总装、垂直测试、垂直转场的三垂测发模式，而且使用活动发射平台进行测试，大大缩短了火箭的发射准备时间，增强了发射适应性。据称长征七号火箭可以在到达发射塔架3天左右发射，比同样三垂模式的长征二号F缩短了好几天。长征七号火箭为了实现高可靠性那个，还是用了冗余备份设计的1553B总线控制，同时具有利用远望测量船、地面测控站和天链中继卫星进行多重测控的能力，从首次发射的部署看，只使用了一艘远望测量船，这意味着它的发射测控越来越多的依靠天链卫星的天基测控，减少了测控工作量并提高了可靠性。

按照计划明年上半年长征七号将发射天舟一号货运飞船和天宫二号空间实验室对接，试验推进剂补给技术，而2018年后空间站开始建造，天舟飞船将以每年一艘的频率发射，但不同于万众瞩目的神舟载人飞船发射，长征七号例行发射天舟飞船恐怕连热心的航天爱好者都会习以为常。话虽如此，没有长征七号火箭托起天舟货运飞船的话，天宫空间站就要停摆了，即使未来不再有现在的风光，长征七号火箭仍将作为载人航天工的老黄牛，任劳任怨地运送推进剂、水和空气、实验设备和其他补给品，支撑起载人空间站的常态化稳定运行。