PhilLeafSpace 22-05-11 18:46
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【长征七号系列火箭一二级分离策略】长征七号与长征七号甲运载火箭的一二级分离均采用两次冷分离方式。第1次分离先将芯一级或助推器和一级组合体分离掉,即通俗的一级分离;第2次分离则将级间段与二级分离掉,也即级间段分离。其一二级级间分离策略与预定时序一般如下:

两级基本型CZ-7:
T+173s,4台助推器关机;
T+174s,助推器分离,分离时每台助推器箱间段上的6枚分离固推点火;
T+187s,芯一级关机;
T+188s,级间第一分离面解锁,8枚反推火箭点火,一级分离,同时4枚二级沉底正推火箭点火;
T+189s,级间第二分离面解锁,级间段分离,二级发动机开始进入点火时序,2秒后推力建立。

三级改进型CZ-7A:
T+173s,一级关机;
T+175s,助推器Ⅰ、Ⅲ及Ⅱ、Ⅳ间隔相继关机;
T+177s,级间第一分离面解锁,16枚反推火箭点火,一级组合体分离,同时4枚二级沉底正推火箭点火;
T+179s,级间第二分离面解锁,级间段分离,二级发动机开始进入点火时序,2秒后推力建立。

CZ-7A相比CZ-7,一是取消了助推器分离程序,采用助推器和一级组合体整体分离的方式;二是分离前的发动机关机程序为先关一级,再关4台助推器,因为CZ-7A的一级2台YF-100不摆动,负责一级飞行段姿控的是4台助推器的单摆YF-100(CZ-7是一级2台YF-100双摆,助推器YF-100单摆),故而7A一二级级间分离也相对更早些。

此外,CZ-7A (Y1) 起初和CZ-7一样,只配置了8台反推火箭(如图1/2所示),但由于7A是一级+助推器整体分离,所需分离掉的一级组合体显然比单个芯一级更重,8台反推不能满足级间安全分离的要求,级间分离体与二级分离时,两者距离较小,导致冷分离变成热分离,二级尾舱将受到高温高速燃气冲刷,可能因此受损进而发生异常关机。
2020年3月16日CZ-7A Y1的发射失败,事实上是多种因素叠加所产生的连锁反应造成的,其中级间分离距离不足便是其中一个因素。当时Ⅲ号助推器因空化提前关机,导致一二级分离前,火箭姿态发散,之后一二级分离时,一级与助推器的组合体解体,在级间分离距离本就不够的情况下,再叠加上这种恶劣工况,可谓是火上浇油,二级尾舱和YF-115可能因此被解体的一级组合体所伤,最终二级发动机启动和工作异常,火箭爆炸,星箭俱毁成为定局......

所以,提高一二级级间分离的安全性,便是CZ-7A归零要做的工作之一。从论文以及CZ-7A Y1和Y2对比图可见,遥二及之后的CZ-7A,采取在助推器箱间段上增加8枚反推(如图3所示,反推数量达16枚)、增加一级分离至二级建推的时间间隔两项改进措施,有效地增大了二级建推时刻一二级分离体的距离,二级喷管下沿到一级前端面的距离达到18.7m,是基本型CZ-7分离距离15.8m的1.2倍。
这一改进保证了CZ-7A在一二级分离过程中分离体间距有足够裕度,彻底规避了CZ-7A二级发动机燃气流反卷带来的风险,并能有效规避助推器和芯一级发动机严重故障带来的分离能源失效风险(遥一call你呢[二哈]),同时,在同一助推器两枚反推火箭失效极限工况下仍可实现一二级可靠分离,气动环境条件不影响二级发动机正常启动。

参考资料:卢松涛,郭莹,姜周,等.提高上面子级点火安全性级间分离优化设计[J].导弹与航天运载技术,2022(02):10-15.

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