首飞成功！长征七号7大秘密曝光
今晚，我国新一代运载火箭长征七号点火发射，成功首飞！
“来点科学”财大气粗，工作室有一名外派记者在海南文昌航天发射场实地探访长征七号，并采访相关专家，揭秘大火箭首飞背后的小秘密。
还可以点击下图进入本期H5杂志《我是长征七号火箭，请求添加您为好友》。这次科学来点儿酷的——长七点火也有你的一份功劳！
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我的全名叫：长征七号运载火箭。为了满足我国载人空间站工程发射货运飞船的需求和未来载人运载火箭更新换代的长远需求，“爸爸妈妈”研制了我——新一代高可靠高安全的中型运载火箭。
我对未来主战场卫星发射任务具有良好的适应性，通过卫星发射可以为载人航天任务积累可靠性子样，确保载人航天发射的可靠性。
同时作为我国新一代中型运载火箭的基本构型，我可是要成为我国未来航天发射任务“主力军”的火箭！我肩负着技术进步和更新换代的历史重任，我的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。
我总长53.1m，芯级直径3.35m，捆绑4个2.25m助推器，起飞重量597t，运载能力将达到近地轨道13.5吨、太阳同步轨道5.5吨，为满足载人空间站工程，发射货运飞船的需求而研制的新一代高可靠、高安全的中型液体运载火箭，采用“两级半”构型， 达到国外同类火箭先进水平。
航天科技集团运载火箭技术研究院下属的北京宇航系统工程研究所利用VR（虚拟现实）技术，设计人员可“身临其境”装配火箭，有效确保了火箭关键零部件一旦出现问题时，有安全可靠的维修方案。
火箭的研制人员说，如果一些零部件在“虚拟装配”时尺寸不合适，旁边就会显示红色的箭头，提示设计方案可能不正确。目前，这种验证方法已经在长征七号关键环节的仿真验证和试验中使用。
据了解，长征七号首飞前，要进行大量的试验。其中一次动力系统试验时，设计人员发现需要更换管路。
设计人员把长征七号一级箭体用VR技术进行仿真，设计人员通过佩带“3D头盔显示器”及“位置跟踪设备”，“身临其境”地验证维修方案是否合理；操作人员用同样的方式“身临其境”进行实景操作。
这使得在试车台上对长征七号一级箭体的管路进行更换时，可与其它工作同步开展，无需再耗费额外的时间单独进行此项工作，有力确保了试验进度不受影响。
2016年全国两会期间，全国政协委员、航天科技集团运载火箭技术研究院原党委书记梁小虹在接受中国青年报·中青在线记者采访时就曾表示：
随着“工业4.0”等信息化现代制造技术的发展，长征火箭正经历着一场研制模式的全新变革，火箭全研制流程没有一张纸质图纸，长征火箭进入了全生命周期的数字化研制时代。
在长征七号火箭到达发射场之后，也有着这样重要的“脐带”，与母体内的脐带有着异曲同工之妙，它就是火箭的加注管道、供气管道、空调管道以及电缆等等，它们向火箭源源不断地输送燃料、供气以及调节体温。
据了解，现役火箭的管道、电缆都在发射塔架上，这些“脐带”要一直工作到火箭起飞前，进行发射前的最后补加，然后由地面遥控使加注管道自动脱落。
不过，根据航天科技集团运载火箭技术研究院专家的介绍，如果连接器不能按时、可靠脱落，就要贻误发射，甚至影响发射成败。如今，长征七号运载火箭有了专门的承载火箭加注管道、供气管道的装置——脐带塔。
长征七号地面设备副主任设计师吴梦强告诉记者，长征七号将首次在非内陆发射场执行发射任务，而我国台风预测能力仅能提前1 周，以往火箭所有的管路连接以及测试验证都是在发射阵地进行，大概需要20 天左右的时间，如今天气的不确定性，火箭不能在发射阵地如此长时间工作。
为此，设计人员专门设计了脐带塔，在技术阵地完成相关技术的验证和试验后，火箭转场过程中可以保证所有连接状态不变，到发射阵地后直接进行加注发射，缩短在火箭发射阵地的测试时间。
如今，长征七号脐带塔已经在海南发射场展露真容，坐落在活动发射平台上。长征七号脐带塔高约64.5 米，分上、中、下三段，呈锥形，重约250 吨。
吴梦强说，长征七号脐带塔的两侧装有6 根摆杆，内部铺设有加注、供气、空调管路和箭上众多控制电缆，以及配气台和中频电源房间，因此它的结构及组成是最复杂的，这也意味着我国运载火箭的研制技术又迈出了一大步。
通常情况下，火箭从研制地到发射场有3 种运输方式—— 公路、铁路、海运，航天科技集团运载火箭技术研究院长征七号运载火箭总体设计人员王旭称，海运是目前火箭运输方式中，最理想的选择。他打了一个形象的比方——
“火箭走公路、铁路，就像坐‘硬板床’；乘船走海运，就好似坐‘沙发’。”
运输方式是否平稳，有一个重要的考量项目——过载环境。王旭说：
过载环境，简单地理解就像我们开车时，遇到的加速行驶、紧急刹车等情况。对于海运，过载环境主要表现为低频晃动。过载环境差会危害火箭的结构。
长征七号合练箭作为海运中“第一个吃螃蟹”的火箭，型号队伍在它的芯一级、芯二级、助推器、整流罩上，及它乘坐的船上、装载的集装箱上，布了30 个测点，详细记录了起航、抛锚、起锚、靠港，以及多种海况下的过载环境数据和振动环境数据。
王旭说：
真没想到，长征七号合练箭从天津港运抵文昌清澜港的过载环境数据不仅优于我们的设计值，而且仅为铁路运输过载环境数据的三分之一、公路运输的二分之一。 过载数据值越低，火箭的运输环境就越平稳，对火箭结构的影响就越小，这有利于火箭安全抵达目的地。
火箭在运输中是否“舒适”，则要看它所处的振动环境。王旭告诉记者：“运输中产生的震动将影响火箭内部的设备。”
长征七号合练箭，在海运过程中，出现4 至5 级海况时，船体晃动加剧，箭体振动环境相对恶劣，即使这样，长征七号火箭合练箭海运振动环境的实测数据也远小于公路、铁路运输。
这就表明，海运的振动环境优于其它运输方式，可以很好地保证火箭内部设备的安全。
今年下半年，长征五号运载火箭合练箭也将从天津海运至文昌，据透露，型号队伍将再一次监测海运的各项数据，摸索海洋运输环境的特点，让海运更好地服务大火箭。
航天科技集团运载火箭技术研究院总体部设计人员徐利杰说：
火箭加注燃料就像我们给车加油一样，会把燃料尽可能“加满”。太空那么大，让火箭“吃饱”了再出发。燃料在火箭整个体重中比重越大，火箭的结构效率越高，说明设计越合理。
在设计中，我们把火箭的外壳、电缆、仪器等重量称为“死重”，要把这些部件尽可能设计得简洁、功能强大，以减轻重量。
加注完燃料的火箭“脚重头轻”，芯一级加上助推器要比芯二级重3 倍多。
以长征七号火箭为例，加注后，芯一级和助推器共重470余吨，芯二级重100余吨。高度越低，地球引力越大。点火飞行后，助推器、芯一级、芯二级的燃料依次完成使命，从“星箭组合体”上脱落。
据介绍，助推器和芯一级的燃料，能将卫星等载荷送到近90 公里的高空。这时候，火箭的体重只有100 余吨，只剩原体重的不到五分之一。
芯二级用芯一级五分之一重量的燃料，可以将卫星等载荷再送高110 公里，这时候火箭完成使命，功成身退。整个过程，越到高空，“星箭组合体”重量越轻，火箭飞起来越省劲儿。
其实，每次火箭发射，完成使命脱落的燃料箱中，都有燃料剩余，并不是火箭不需要它们了，而是为了火箭的安全，必须抛弃它们，这部分燃料有800 余公斤。 在火箭飞行过程中，燃料经过出流装置供给到发动机入口，随着燃料消耗，增压气体会源源不断地输送进燃料箱，保持燃料箱结构及发动机入口推进剂的压力。 但当燃料液面降到箱底附近时，如果出现漩涡、塌陷等，会造成气体进入发动机入口，这样极易发生发动机故障甚至爆炸。为了防止这种现象，只有在燃料还没有完全用完时，提前关机、脱离。在设计人员的认知里，这部分燃料的重量也是“死重”，怎么让燃料摆脱“死重”的命运呢？
2013年，运载火箭技术研究院总体部研制出一种高效防止漩涡、塌陷的出流装置，可以减少一半的燃料浪费，占燃料总量的千分之八，大大提高了有效载荷量，尽量让火箭不浪费一分力气。
△ 6月14日 长七遥一火箭与整流罩对接 △
低温燃料加注后，试验现场的发射塔就像是个“大冷库”，贮箱隔板外全是厚厚的霜。
航天科技集团运载火箭技术研究院设计师朱平平告诉记者，试验队员每次去检查，都冻得瑟瑟发抖，头发和眉毛上都会结一层厚厚的霜。
据了解，为防止推进剂贮箱外表面温度过低导致的结冰，以及极低温度对仪器、电缆等的影响，低温贮箱外表面需要制备一层1-2厘米厚的密度极低的绝热结构，就像给火箭披上了一件由该院研制的“防寒服”。
该院科研人员称，有了这件“防寒服”，尽管推进剂温度如此之低（液态氧低至零下183℃），但是火箭外表面温度依然可以保持在0℃以上。
在雨中发射？这可不是每个火箭都能做到的。现役火箭发射选择窗口时，往往都会避开雷雨天，而长征七号运载火箭，则能实现中雨发射，这是因为新一代运载火箭是做了“防水”设计的。
新一代运载火箭发射场即海南文昌航天发射场，气候潮湿，降水量大，全年12小时内降水5至15毫米的中雨较多。
为此，在长征七号研制之初，航天科技集团运载火箭技术研究院就接到上级命令，要保证火箭能够中雨发射，这就要求火箭要做好“防水”。
不过，这个防水，防的可不仅仅是雨水。
很多看过火箭发射的人都见过加注后的火箭，受低温推进剂的影响，箭体表面的温度低，冷凝水像下雨一样顺着箭体流下来，这也是火箭要防的水。
除此之外，箭壁、管路上的冷凝水还可能结冰，冰融化又会形成冰霜融化水等。
那么，火箭究竟怎么防水？
卢松涛以长征七号运载火箭为例说，仅电连接器防水部位就有千余处，这还不包含电缆本体、电缆进出口、仪器本体、仪器与结构缝隙和结构总体专业防水，防水工作量之大可见一斑。
相比西昌、酒泉等卫星发射中心的发射平台，新一代运载火箭的发射平台在功能上更强大。
它在综合发射系统主要功能基础上，将火箭总控网、控制系统、测试系统部分设备集于一身，如温度太高，发射平台将可能遭到损坏，进而影响火箭发射安全性。
国际上先进的降温方法是喷水降温，这一方法也将出现在新一代运载火箭发射中。
航天科技集团运载火箭技术研究院“大流量喷水降温降噪系统”技术负责人陈劲松介绍，喷水系统分两级：
一级位于发射平台上，在火箭发动机点火前给发射平台喷一层5 厘米厚水膜，二级位于发射平台两旁5 米高空，在火箭飞达5 米高以后向箭体尾部火焰中心喷水，两级喷水设施各喷20 余秒，完成400 吨的喷水量。
新一代运载火箭的发射塔，为此要“顶”一个能容纳600 吨水的水箱，装好自来水备用。
陈劲松说，这400 吨水中，有30% 的水会汽化到大气中，60%的水则通过导流槽流走，水份蒸发带走大量的热，发射平台核心区降温幅度在1000 度左右。
现在，你对长征七号的小秘密了解了吗？下面，再跟着小编老师重复一遍，这枚火箭兄有以下特点：
新动力。各级均采用新研的液氧/煤油发动机及与之适应的新型低温增压输送系统，研制难度大。
新布局。助推器长度为现役运载火箭的2倍，采用三支点超静定捆绑方案。二级尾舱空间紧凑，通过采用二次分离确保级间分离的可靠性。
新环境。新型动力系统及多发动机并联导致箭上和地面的力、热环境严酷；海南发射场高温、高湿、盐雾、浅层风及雷电等自然环境条件带来新挑战。
新结构。采用三维设计/制造技术，打通从设计到制造的全三维流程。
新体制。使用新型总线控制，实现遥、外测一体化设计，采用天基测控实现重要数据中继传输。
新测发。采用“新三垂”测发模式，转场过程中保持箭/地气、液、电连接状态不变，起飞段采用大流量喷水系统进行降温降噪。
不知道今天的火箭发射，是否让你心潮澎湃。
小编一边苦兮兮的加班，一边注视着这颗大火箭点火、发射的全过程。某一刻仿佛万籁寂静，只剩我的心跳和它的倒数计时，小编是自豪的，也是荣幸的，能够见证长七离开祖国，奔向太空的这一瞬。
指向未来的征程，我们来了！
文：邱晨辉
编辑：毛小欧
图片来源：中国青年报、航天科技集团运载火箭技术研究院、海南文昌航天发射场
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