以下文章来源于科工力量， 作者物质第四态
李会超
空间物理学博士 ， 科普作者
2020年12月22日 ， 长征8号火箭成功在海南文昌发射基地首飞 。 作为中国航天的年末戏 ， 长征八号发射的顺利进行也标志着新一代长征火箭家族的全数亮相 。 在未来数年内 ， 上一代长征火箭也将继续活跃在中国航天的舞台上 ， 与新一代长征火箭工作托举中国航天的发展 。
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应用广泛的太阳同步轨道卫星
从有关报道看 ， 长征八号是为发射太阳同步轨道卫星而量身定做的一型火箭 。 虽然名字里有“太阳”二字 ， 但太阳同步轨道仍然是围绕地球的一种轨道 。 太阳同步轨道的高度一般在600-800公里 ， 比载人航天器使用的300-400公里高度的轨道要稍高一些 。 太阳同步轨道的倾角一般比较高 ， 卫星在工作过程中要经过南北两极上空 。 由于卫星轨道周期比地球自转的周期小很多 ， 卫星每转一圈都能覆盖地球表面的不同区域 。 卫星数据积累一段时间后 ， 就可以获得整个地球表面的情况 ， 这是轨道倾角较低的卫星所无法完成的任务 。
同时 ， 为了使轨道平面相对太阳始终保持固定的取向 ， 轨道平面每天向地球公转方向移动约1度 ， 与地球绕太阳每天公转过的角度相等 。 这样 ， 卫星经过地球上某个特定地点的光照条件总是相同的 。 例如 ， 假如我国的某颗海洋卫星第一次经过南海某岛屿上空时 ， 太阳高挂于正南方 ， 那么这颗卫星下次光临该岛屿时 ， 太阳也应该处于大致相同的位置 。 这为相关数据或情报的分析带来了方便 。 如果某国希望监视另一国军事基地的动态 ， 显然应该在太阳同步轨道上部署卫星 ， 并在需要监控的区域光照条件较好时飞临该地上空 ， 获得相关的高分辨率数据 。
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工作在太阳同步轨道上的吉林一号光学A星拍摄的美国费城海军造船厂 。 由于太阳同步轨道的特点 ， 这颗卫星每次飞临费城上空都能获得较好的光照条件 。
我国的风云系列气象卫星有运行在静止轨道（风云二号、四号系列）和太阳同步轨道（风云一号、三号系列）的两种卫星配合工作 。 静止轨道卫星高悬于赤道上空、我国经度范围附近 ， 对我国的天气形势进行监测 。 而太阳同步轨道卫星则在较低的轨道上获取分辨率更好的全球数据 。 除了气象卫星外 ， 太阳同步轨道也是海洋、资源、高分等一系列对地遥感卫星的工作轨道 ， 获取海洋、大气、水土、林木、矿场等自然系统和资源的全球分布与变化情况 。 当然 ， 当把卫星上的有效载荷改装为军事用于的侦查仪器后 ， 太阳同步轨道也是非常适用于军事侦查卫星工作的轨道 。
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风云系列卫星轨道示意图 ， 风云3系列卫星工作在太阳同步轨道上 。 注意本图仅能标示轨道面的位置 ， 轨道高度比例与实际不相同 。
除了测地 ， 太阳同步轨道也是用于“观天”的卫星理想的工作轨道 。 工作在晨昏交界线附近的太阳同步轨道的卫星 ， 能够始终处于晨昏交界线附近 ， 持续获得观察太阳的视角 。 日本的“日出”、”日落“和美国的TRACE等太阳观测卫星 ， 都部署在这个轨道上 。
模块化研发的新一代火箭
研发新一代火箭长征最迫切的需求 ， 来自于未来大型、深空等“国之重器”级的航天器对火箭运载能力的需求 。 如果没有长征五号、长征七号火箭对我国火箭最大运载能力的提升 ， 月球采样返回、航天站建设等标杆性航天任务都无法开展 。 在此需求的驱动下 ， 新一代火箭攻破了诸多技术难关 ， 实现了火箭燃料由更适于导弹部署的有毒常温材料 ， 向更适用于航天发射的低温无毒燃料的升级换代 。 新一代大推力液氧-煤油发动机和液氧-液氢发动机 ， 也让我国的火箭拥有了推力更加强大的“心脏” 。
不过 ， 并非所有的航天器重量都能达到“国之重器”级别 ， 一型火箭的运载能力如果和卫星等航天器的实际需求脱节 ， 就会陷入没有卫星客户使用的尴尬境地 。 美国SPACE X公司研发的猎鹰重型火箭是目前现役火箭中运载能力最高的火箭 。 但是由于其运载能力机不能满足载人登月这一标杆航天任务的需求 ， 又超出了目前大部分卫星的需要 ， 因此首飞成功后的两年多年内仅进行过1次商业发射 。 而同一时期生意不断的 ， 还是运载能力相对较小的猎鹰9型火箭 。
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新一代火箭模块化组合示意图 ， 摘自《中国运载火箭技术的成就与展望》一文
因此 ， 当解决了运载能力上限的有无问题后 ， 还要解决上限以下、对于不同重量的航天器的运载能力覆盖问题 。 新一代运载火箭在设计时 ， 采用了模块化、通用化的设计思路 ， 通过不同模块的组合 ， 可以形成适应不同任务的运载能力 。 执行嫦娥五号、天问一号等高轨深空航天器发射任务的长征五号 ， 在去掉第二级、换装大型整流罩后 ， 就变成了更适于低轨载人航天任务的长征五号B 。 而长征五号的助推器和长征七号的第一级基本相似 ， 是新一代火箭中的3.35米模块 ， 安装有两台YF100发动机 。 长征七号的助推器变成一颗独立的火箭后 ， 就成为了发射方式机动灵活、靶场准备时间极短、适合发射微小卫星的长征六号 。
在2013年的一篇论文中 ， 中国火箭技术研究院范瑞祥等科技人员对长征七号经过模块化组合的运载进行展望时 ， 提出了以长征七号3.35米模块作为第一级的16种火箭构型方案 。 不同构型的助推器种类数量、芯二级发动机选型有所不同 ， 有些构型还添加了第三级 。 今年首发不幸失利的长征七号改在这篇论文中被列为CZ-734构型 ， 而现在实际使用的长征八号是这篇论文中提出的CZ-722（HO）构型 。 按照这篇文章的估算 ， 长征七号各种构型可以覆盖近地LEO轨道2.0-13.5吨、太阳同步轨道1.0-8.5吨、GTO同步转移轨道1.2-7.0吨的运载能力 ， 具有较高的灵活性 。
【倾角|涨知识｜新一代火箭悉数报到，上一代火箭啥时能退休？】对哪个构型的运载能力需求最迫切 ， 就可以利用已经由标杆任务验证过的模块 ， 快速组合研发出那种火箭构型 。 比起新一代火箭中的其他型号 ， 长征八号这种“编外”型号的研制时间很短 ， 从立项到首飞仅花了三四年的时间 ， 足见模块化技术对火箭研制带来的改变 。 而之所以这种构型的火箭能率先转正 ， 则是因为于太阳同步轨道的3-4.5吨航天器的发射需求十分旺盛 ， 但3吨已经是上一代主要用于太阳同步轨道卫星发射的长征4号系列火箭运载能力的天花板 。 长征8号火箭的成功首飞 ， 成功的填补了长征火箭在这一领域的运载能力空白 。 另一种由CZ-734构型“转正”的长征七号改 ， 也是为了填补处于长征三号乙和长征五号运载能力之间的5.5-7吨GTO轨道发射的空白 。 这个重量范围内的大型通信卫星近年来所占比例逐渐加大 ， 发射需求越来越高 。
上一代长征火箭还会继续工作
当新一代火箭悉数亮相后 ， 上一代长征火箭是否会很快消失在我们的视野中？笔者认为 ， 答案是否定的 。 首先 ， 新一代火箭已有的构型还无法覆盖上一代火箭的运载能力范围 ， 如果现在全部“下架”上一代火箭 ， 将使一些中型载荷失去发射工具 。
长征二号、三号、四号家族的诸多火箭型号 ， 根底上都可以溯源到东风5型洲际弹道导弹 ， 有着诸如使用有毒燃料等诸多固有的局限 。 但通过长期的技术改进和任务验证 ， 它们在所覆盖的发射能力范围内已经形成了较高的可靠性 。 其中 ， 长征2号乙和长征3号甲火箭还因其出色的表现 ， 获得了“金牌火箭”的称号 。 而长征2F火箭 ， 则是唯一一种能够满足载人任务可靠性要求的火箭 。 此外 ， 新一代火箭采用了全新的总装转运模式和燃料 ， 除了文昌发射场外 ， 其他几个发射场的设备尚不具备保障长征五号、长征七号的新一代大型火箭的能力 。 长征七号具备运输到全国所有发射场的可能 ， 但要发射这种火箭 ， 酒泉、太原和西昌发射场的设备需要进行规模较大的升级改造 。
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上一代火箭一般采用在发射工位总装的准备方式 ， 而新一代火箭则是在总装厂房中总装完成后再转运到发射工位
在长征八号首飞太阳同步轨道几天后 ， 12月27日 ， 长征4号丙火箭将遥感十三号卫星送入了太阳同步轨道 。 可预见的是 ， 未来几年内 ， 这种新老火箭并肩完成航天任务的场景将成为常态 。 同时 ， 新一代火箭的各种构型也会按需求逐步“上线” ， 完成替代上一代火箭的工作 。
_原题《新一代火箭悉数报到 ， 上一代火箭啥时能退休？》
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