独家：长征5大火箭为何采用两种发动机与六个构型

一箭穿云惊浩宇，九天揽月灿星河

——长征系列液体运载火箭的四大看点之《火箭篇》

凤凰军事特约作者：兵器迷的天空

前文《第二篇》说过，中国的民用航天运载火箭最早是从液体推进的远程弹道导弹脱胎而出的——说俗点儿，远程弹道导弹穿上马甲，就是长征系列早期型号。由于发射速度快、无需加注、点火简单、保存时间长等军事装备亟需的各种优势，后来中国的弹道导弹普遍向氧化剂-燃料合一的固体燃料方向发展。而运载火箭的液体燃料，仍然沿用早期弹道导弹的四氧化二氮/偏二甲肼，已经难以适应航天事业的后续发展，对新型液体火箭的需求日渐突出。

进入21世纪后，中国对新型液体火箭的设计方案、发展途径、发射场等方面进行深入讨论。2002年，根据863计划火箭发动机和大型运载火箭专家组组长朱森元“模块化研制、积木式发展”的建议，确定了“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体发展思路以及”通用化、系列化、组合化”的设计思想。

上文中的“两种发动机”：就是我们《第二篇》和《第三篇》分别提到的地面推力50吨级（真空推力70吨级0YF-77氢氧发动机和地面推力120吨级（真空推力130吨）YF-100液氧/煤油发动机。前文谈过，不再赘述。

下面，本篇就重点谈谈这个总体思路中的“一个系列”和“三个模块”

一、一个系列：

意思是：近地轨道运力覆盖1.5-25吨，地球同步转移轨道运力覆盖1.5-14吨的系列发射能力。

首先，稍微解释一下这两个词：

近地轨道LEO：英文Low Earth orbit，一般指高度在2000千米以下的近圆形轨道。对地观测的遥感卫星、载人空间站，大多都在这个轨道。

地球同步转移轨道GTO：英文Geostationary Transfer orbit，一般指近地点在1000公里以下、远地点约36000公里（即地球同步轨道高度）的椭圆轨道。风云二号气象卫星、北斗一代导航卫星、北斗二代中的5颗高轨道导航卫星、东方红三号和四号通信卫星、天链中继卫星都在这个轨道。

兵器迷个人觉得，“一个系列”这个名词，似乎没有切中要害。

有朋友瞪眼了：你算老几啊，也敢对官方的战略挑眼？

莫急莫急，待我慢慢道来：兵器迷这么说，是因为，中国目前的长征系列火箭，也已经是一个相对完整的系列，包括：

长征系列火箭的四个子系列。

所以，现有长征系列火箭，通过四个子系列，已经实现了载荷由小到大，轨道由低到高的基本覆盖。而中国航天在新世界再次提出“一个系列”的主要意义，其实在于提高航天发射的载荷质量，让这个覆盖更加全面。

举个例子：

近地轨道LOO目前中国最大发射能力，是用于载人航天的长征二号F火箭，LEO发射质量为8.6-9吨。

地球同步转移轨道GTO目前的最大发射能力，是用于发射静止轨道通信卫星的长征三号乙/E（增强型）运载火箭，GTO发射质量为5.5-6吨。

这样的发射能力，支持中国航天过去的近地航天和一般的无人深空探测需求问题不大，但对未来更高水平的发展以及形成了至少四个方面的严重制约。

-近地轨道载人空间站建设。

按照中国载人航天规划，2020年前后实施的载人空间站(近地轨道LEO)。其核心舱，发射质量20-22吨。实验舱Ⅰ和实验舱Ⅱ，发射质量均约20-22吨。货运飞船。最大直径约3.35米，发射质量13吨。已经超出现有LEO8-9吨的运载能力。这也是为什么，目前天宫一号实验室的设计重量为8吨，就是卡着长2F的最大LEO能力量身定制的，否则完全可以做得更大。

-地球转移轨道重型通信卫星

中国目前的东方红四号通信卫星，发射重量为6吨，也是比着长征三号乙/E最大6吨的GTO发射能力设计的，目前尚可满足需求。但是预计2018年首发的东方红5号新型通信卫星，发射质量10吨，几乎超过现有能力的一倍。

-远离地球的深空探测

2016年1月11日，中国正式批复首次火星探测任务，中国火星探测任务正式立项，并将在2020年左右发射一颗火星探测卫星。火星距地球近距也有六七千万公里，而类似或更远的深空探测，必须让探测器脱离地球引力，至少达到第二宇宙速度11.2公里/秒，才能确保探测器不奔向其他天体。而长三乙只能保证10.9公里/秒的速度。

-探/登月计划

虽然目前的嫦娥登月计划只有绕落回三个节点，都是无人飞行器，发射质量小一些。但月球采样返回地球的嫦娥五号已经打算采用更大推力的液体发动机。

再多想一步，而如果未来中国想实现载人登月计划，就更加需要高推力火箭发动机。我们可以比照一下美国阿波罗登月计划的载人飞船载荷：

载人飞船总重量：50吨

指挥舱：6吨

服务舱：25吨

登月舱：14吨

可以看出，上述四个需求，以现有长征火箭的能力实在是望尘莫及。因此，中国航天提出的最大25吨LEO发射能力和14吨GTO发射能力如果实现，就可以顺利解决载人空间站、新一代通信卫星、火星无人探测（还包括木星探测）这前三个2020年前的急迫需求，以及第四个需求中嫦娥五号的发射。由于这些都是已经明确立项的需求，因此规划的发射能力完全是扎实的配套而非激进的跃进。

最后，大推力火箭还能更好的支持一箭多星的发射，为降低系列通信、导航和对地对海观测卫星组的发射成本大为有益。

有意思的是，上述四个需求，都要依靠长征5号运载火箭来完成。长征5号今年的首发，意义就在于此。这也是为什么，兵器迷认为长5首发将是今年航天发射的一大看点。

当然，这样的推力规划，仍不能满足载人登月的需求。不过这个尚未立项，所以没有在本次规划范围内，亦属正常。即便有了实际项目，远期规划中的长征9号（采用500吨级的液氧煤油发动机和200吨级的氢氧发动机），才是这个问题的答案。

二、三个模块，包括：

中国航天规划的总体思路认为，现有长征火箭系列不但运载能力低，芯级直径偏小，而且型号偏多（参见上表1），型谱重叠，成本较高。因此，有必要进行标准化的模块设计，通过模块组合快速形成不同发射需求的火箭载具。最后形成的规划就是以下三个模块：

1 液氧/液氢的5米直径模块：比如：长征5号的芯一级5米直径模块，含2台YF-77氢氧发动机

2 液氧/煤油的3.35米直径模块：比如，长征5号的3.35米直径助推器模块，含2台YF-100发动机

3液氧/煤油的2.25米直径模块：比如，长征6号的2.25米直径助推器模块，含2台YF-115发动机

这其中，第一个5米直径模块，很值得注意。因为在以往的长征系列火箭中，一般芯级采用3.35米模块，助推器或上面级采用2.25米模块。唯有5米模块是从未出现的新模块。这是为什么呢？

这个事情的根由，要从大约3000年前讲起……

这位朋友倒了。3000年前，和航天发射有嘛关系啊？兵器迷这次不仅仅是话唠，这是穿越的节奏啊。

呵呵，是这样。大约3000年前的古罗马人，使用两匹马拉的车。时间长了，车轮在石板路上磨出两道沟。由于各种车轮宽窄不一样，道路就被各种宽窄不同的沟严重损坏。后来人们自然就想把轮距统一起来，于是就把两匹并排的马屁股当成标准，即1.435米，这样路上就形成统一的车沟了。再后来，英国人修铁路时，也把铁轨轨轨距定为1.435米，并被各国沿用，中国也不例外。那么，按照这个轨距修建的铁路，能够运输的货物最宽为3.72米。去掉车厢外壳，只剩下3.35米。因此，用标准铁路进行运输的部件，最大直径只能达到3.35米。

所以，半个多世纪来，中国火箭也只有最大3.35米的直径，为的是方便铁路运输。

那位朋友问了，那为什么还要5米直径模块呢？

还是需求牵引。比如中国载人空间站，货运飞船。最大直径约3.35米。但是核心舱全长约18.1米，最大直径约4.2米，实验舱全长均约14.4米，最大直径也是4.2米。因此3.35米不够用的。

此外，您注意到了吗？上述三个模块的示例中，2台50吨级的YF-77并联，组成的模块直径5米（整流罩5.2米）。而2台120吨级的YF-100并联，组成的模块直径3.35米。为什么推力大一倍多的，反而直径小呢？估计是因为YF-77氢氧发动机比较粗：比如推力室喷口面积，YF-100为1.406平米，而YF-77为1.446平米。因此YF-77氢氧发动机需要更大直径的模块，这也是5米米模块的原因之一。

又有认真的朋友发现了一个问题：既然你说中国铁路只能运输3.35米宽的部件，5米直径模块就算做出来了，如何运输呢？

对了，海运。中国在2009年建设海南发射场之前，就已经于2008年布局成立天津航天长征火箭制造有限公司，用于生产大型火箭部件，并通过天津港直运海南发射场。这样不但打通了大直径火箭部件运输能力，也有效降低了运输成本。2016年5月8日上午，中国卫星海上测控部所属远望21号从天津港装船起航，经过6昼夜1670海哩的航行，长征7号首发运载火箭安全运抵海南文昌清澜港。近日已经安全运输至海南文昌航天发射场。与中国三个需要铁路运输的内陆发射场甘肃酒泉、山西太原、四川西昌3个航天发射场相比，海南文昌航天发射场除了具有纬度低、发射效率高、射向宽、落区安全性好的特点之外，大直径部件海运便捷，也是独特的发射优势。未来5米直径的模块，也将采用这种运输方式。

那么，有了2.25米,3.35米和5米这三个模块，又如何组合呢？

我们拿长征5号举个例子，用上述三个模块组合，以5米模块（YF-77*2）作为芯一级和/或二级，以3.35米模块（YF-100*2）和/或2.25米（YF-100*1）作为助推器模块，就可以组合出6种火箭构型。其中的3种用于LEO近地轨道发射，发射质量分别为6吨，8吨和10吨。另外3种用于GTO地球同步转移轨道发射，发射质量分别为8,10,12吨。见下表。

六种构型的火箭外观示意图

长征5号的六种构型火箭示意图

其中，推力最大的B和E型为优先发展重点构型。这样，长征5号的近地轨道LEO的25吨运载运力，将与同级的欧空局“阿里亚娜”5ES(21吨)、日本H-2A/B(19吨)和美国的“宇宙神”5（19吨）大体相当。

类似的，长征7号中型运载火箭，也可以通过模块组合出不同的构型。其主要构型有3-4个，近地轨道LEO运载能力覆盖5.5吨、7.5吨、13.5吨； 地球同步转移轨道GTO运载能力覆盖1.5吨、2.4吨、4.5吨、7.0吨。

而采用YF-100一级的长征6号运载火箭，目前可以达到700千米高度太阳同步轨道(SSO)0.5吨的运载能力，将是中国小型卫星发射的。

这样，中国新一代液体火箭的系列已经水到渠成

中国新型液体火箭

注意上面的首发日期：

长征6号的成功发射，初步验证了YF-100作为一级动力和小型新箭的设计和性能（另有1*YF-115二级动力和4*YF-85三级动力）。

第二个发射的长征7号，将验证2台YF-100作为芯一级和4台YF-100作为助推器动力，即6台YF100联合工作和中型新箭的设计和性能（另有4*YF-115二级动力）。

第三个发射的长征5号，将验2台YF-77作为芯一级、8台YF-100作为助推器动力，即2台YF-77+8台YF-100联合工作的设计和性能(另有*YF-75D作为2级动力)

对这第三次发射，兵器迷个人认为，YF-77的首发似乎应当采用更稳妥一点的方案。第一次就与YF-100乃至长5绑在一起，跨越稍大。而且YF-77的研制并非顺利，如果能用YF-77的5米芯级+2.25米YF-115二级单独发射一次，主要用于验证YF-77，然后再发长5似乎更加稳妥。不过查遍资料也没有这样的火箭构型，罢了。

再看这三次发射，难度一次比一次大，而最后一次将是（1）液氢、液氧、煤油三种燃料，（2）液氧/液氢发动机和（3）液氧/煤油两种液体发动机，和（4）大型推力新型运载火箭的综合验证。

讲到这里，中国新型液体火箭发射的四大看点，已尽在眼前。

让我们凝神静气，细细观瞧。

除了上述新型液体火箭，中国还有其他的液体火箭在研吗？

欲知后事如何，且听下回分解。

所有资料来自于互联网公开报道和公开出版物，如：

《中国液体火箭发动机》

《俄罗斯液体火箭发动机》

《液体火箭发动机技术发展》

《重型液体火箭发动机研究》

《液氧/煤油发动机》。

《液氧/甲烷发动机》

本文引用了网上的所有图片，均归原作者所有，一并致谢！