長征2F和長征7號火箭模型

長征五號的不足

長征5號的早期構型

2006年我國新一代運載火箭長征五號/CZ-5運載火箭正式立項，根據當時火箭總設計師李東的論文，長征七號/CZ-7運載火箭以新一代的YF-77氫氧發動機和YF-100液氧煤油發動機為核心，把我國運載火箭的運載能力從LEO軌道運力約10噸提高到25噸，GTO軌道運力也將從5.5噸提高到14噸，同時它還將通過5米直徑氫氧芯級和3.35米、2.25米直徑液氧煤油助推器的靈活組合，覆蓋LEO軌道運載能力10~25噸，GTO軌道運載能力6~14噸的範圍，滿足我國航天未來20~30年的發展需求。

CZ-5運載火箭的研製，標誌着我國運載火箭在技術和性能指標上實現巨大的進步，但由於使用氫氧發動機等原因，CZ-5火箭的發射成本居高不下。雖然當初規劃的CZ-5A和CZ-5C型號LEO軌道運力分別為18噸和10噸，而CZ-5D和CZ-5F型號的GTO軌道運力分別為10噸和6噸，從設計上填補中間運載能力的空白，但目前公開報道中只提到CZ-5(原CZ-5E)和CZ-5B兩型火箭。不出意外的話，由於費效比不高等因素，CZ-5A、C、D和F等使用2.25米液氧煤油助推器的型號都不會有亮相的機會，CZ-5系列火箭將只剩下LEO軌道運力25噸的CZ-5B兩型火箭和GTO軌道運力14噸的CZ-5火箭，它們在發射20噸級的空間站艙段，發射“嫦娥五號”大型月球取樣返回探測器，一箭雙星發射大型通信衛星等場合具有無可替代的作用。不過這樣一來，10~20噸的LEO軌道載荷和6噸以上的GTO軌道載荷的發射將出現空白，填補這個空白的，就是中國運載火箭研究院研製的新一代中型運載火箭CZ-7。

CZ-7的由來

運力過大的長征5號

為了實現運載火箭性能的跨越，CZ-5運載火箭使用的幾乎都是全新的技術和設計，而CZ-7火箭則截然不同，它幾乎就是現有CZ-2F火箭的升級。中國載人航天工程網2008年發布的內容，在介紹我國載人航天工程系統的運載火箭系統部分時，除了多篇文章着重介紹CZ-2F火箭外，也有篇文章簡述了新一代運載火箭，文中特意提到了CZ-2F/H火箭，CZ-2F/H火箭這個名字是CZ-2F/換(Huan)的縮寫，主要用於在載人航天工程後續任務中完成發射貨運飛船的任務。

根據中國載人航天工程網文章的介紹，CZ-2F/H火箭是我國新一代運載火箭3.35米構型的一種方案，它是一種帶助推的二級火箭，動力系統使用無毒無污染的液氧煤油推進劑，同時電氣系統和地面測控發射系統使用一體化設計，提高了我國運載火箭的技術水平。CZ-2F/H火箭分載人和無人兩種狀態，無人狀態火箭全長約52米，起飛質量579噸，LEO軌道運載能力將達到13噸；載人狀態火箭全長增加到約57米，起飛質量582噸，LEO軌道運載能力為12.5噸。兩種狀態的火箭均使用3.35米芯級並捆綁4個2.25米助推器，芯級和助推器都將使用YF-100液氧煤油發動機，據推測火箭高度的不同很可能是載人狀態安裝了逃逸塔的結果。

新一代火箭早期構型

雖然載人航天工程網沒有對CZ-2F/H火箭進行進一步介紹，但根據以上文字推測，所謂CZ-2F/H火箭，就是CZ-2F火箭換裝YF-100液氧煤油發動機的產物。結合早期新一代運載火箭3.35米構型的研討，CZ-2F/H火箭的3.35米芯級將使用2台YF-100發動機，2.25米助推器將使用1台YF-100發動機，第二級發動機可能是高空版YF-100發動機或是多台15噸推力的液氧煤油發動機。CZ-2F/H火箭起飛推力約720噸，起飛推重比1.24左右，通過高比沖的液氧煤油發動機的使用，運載係數略高於現有的CZ-2F火箭，主要用於發射13噸級的貨運飛船，也可能用於發射改進後的神舟飛船或是新研製的大型載人飛船。

CZ-2F/H火箭並不是官方授予的正式編號，2009年的新聞報道曾指出暫定CZ-2F/H的火箭已經改名為暫定CZ-7，而2010年兩會期間中國運載火箭技術研究院黨委書記梁小虹接受記者採訪時表示，我國已經正式立項新一代中型運載火箭CZ-7，它將在我國航天的功勳火箭CZ-2F的基礎上進行研製。結合更早的消息，所謂的CZ-7火箭就是CZ-2F/H火箭。根據外電2010年的報道，CZ-7火箭將使用18噸級的上面級發動機，結合後續報道，CZ-7火箭第二級使用的就是真空推力18噸級的YF-115液氧煤油發動機，當時筆者推測第二級很可能是2台或4台YF-115發動機並聯，從而實現13噸級的LEO軌道運力。

2012年YF-100火箭發動機點火測試

CZ-7火箭在CZ-2F火箭的基礎上研製，填補了我國新一代中型運載火箭的空白。根據目前的發射需求預測，未來我國除了發展20噸級空間站艙段等特殊需求，以及1噸以內的小型衛星外，大量載荷將處於中等運力區間，包括東方紅三號和東方紅三號B、東方紅四號和東方紅四號E、東方紅五號等通信衛星平台，以及以資源和風雲衛星為代表的大型遙感衛星平台，還有大型低軌道和高軌道遙感衛星平台等，此外隨着我國載人航天工程的發展，還要發射大型貨運飛船進行補給。按照不完全統計，我國2020年前需要發射的衛星中1噸以下的衛星占45%，1~4噸的衛星占30%，5噸以上的占25%，其中LEO和SSO軌道的衛星主要是4噸以內的遙感衛星，更重的航天器就是神舟載人飛船和天舟貨運飛船，而GEO軌道的衛星1~4噸和5噸以上的基本相當，不過隨着早期東方紅三號衛星平台的淡出，GEO軌道衛星將更多的以大質量的東方紅四號和五號為主。從發射需求預測看，CZ-7火箭將是用途最廣泛使用最頻繁的火箭。

YF-75火箭發動機

CZ-7的設計方案

長征7號的助推器

CZ-2F/H火箭的設計成為CZ-7火箭的基本型方案，但這個方案雖然很好的滿足了發射天舟貨運飛船的需求，但二級火箭設計顯然無法滿足發射大型通信衛星的需要，而對發射中小型遙感衛星它的運力又明顯過剩。根據范瑞祥總師的論文，為了滿足未來不同任務不同載荷的發射需求，CZ-7火箭通過調整助推器和上面級的系列化發展思路，將發展出一個兼顧運載能力梯度和發射成本的運載火箭家族。

CZ-7火箭家族的核心是3.35米直徑的液氧煤油發動機芯級，其它部分根據構型不同有很大差別。按照范瑞祥總師的介紹，可以將CZ-7火箭構型用CZ-7XYZ的格式命名，其中X表示火箭級數，Y表示助推器個數，Z表示助推器類型，由於CZ-7默認使用液體助推器，助推器類型只使用S標示固體助推器。CZ-7的命名規則中對默認的液氧煤油發動機芯二級不做特別標明，但使用(HO)標示芯二級使用氫氧發動機的型號，為了區分使用上面級的型號，還增加了/SM加以區分。

長征7號二子級的四發並聯YF-115試車

CZ-7火箭的設計方案中，所有的CZ-7火箭構型都將使用3.35米直徑的液氧煤油芯級，芯級使用兩台YF-100液氧煤油發動機，發動機雙擺控制；所有的液體助推器均為2.25米直徑，使用單台YF-100液氧煤油發動機，發動機單擺控制；根據運載能力的不同，芯二級使用2台或4台YF-115液氧煤油發動機，發動機兩機雙擺加兩機固定；根據芯二級推進劑和發動機類型的不同，(HO)型號將使用兩台YF-75液氧液氫發動機，發動機雙擺控制； CZ-7火箭的第三級均使用兩台YF-75液氧液氫發動機，發動機雙擺控制；為了增強發射SSO軌道的能力，CZ-7火箭還可能增加使用單台YF-50發動機的上面級。根據火箭級數、助推器類型和個數、芯二級類型和是否使用上面級等不同，CZ-7中型運載火箭可以劃分出大量構型，不過從滿足實際發射需求出發，只有部分典型構型可以通過論證，而實際研製的構型只會更少，集中用於空間站任務和通信衛星發射任務。

為了進一步確定火箭各個構型的優劣，CZ-7火箭的運載能力也做了專門的定義。CZ-7系列火箭的LEO軌道運載能力是指軌道傾角42度、近地點200千米、遠地點400千米的橢圓LEO軌道上的運載能力，它的SSO軌道運載能力是指700千米高度的圓形SSO軌道的運載能力，它的GTO軌道運載能力是需要1800米/秒的速度增量進入地球靜止軌道(GSO)的標準GTO軌道的運載能力。

長征7號一子級儲箱

CZ-7火箭的構型中，以CZ-2F為基礎，曾暫時命名為CZ-2F/H的CZ-724型號是火箭的基本構型。依照命名規則，我們很容易判斷出CZ-7火箭的基本型是一種使用4個液體助推器的二級火箭，根據其他報道和論文，基本型號CZ-724火箭芯一級長度25.083米，使用兩台YF-100液氧煤油發動機，第二級將使用4台YF-115液氧煤油發動機。CZ-724火箭的總長度約為53.1米，長徑比達到了15.85，它的起飛質量約為594噸，起飛推力7200千牛，推重比約為1.237。CZ-724型火箭的LEO軌道運載能力為13.5噸，將主要用於發射天舟貨運飛船，不過用於發射SSO軌道載荷時，CZ-724型火箭的運載能力也有5.5噸之多，足以發射絕大多數遙感衛星。部分愛好者曾對CZ-7火箭使用高壓補燃循環的液氧煤油發動機，但有效載荷係數不高略有微詞，不過根據其他來源的信息推斷，天舟貨運飛船上行貨物運輸能力6.5噸，貨運載荷比46%，那麼天舟貨運飛船的質量將達到14.13噸之多，CZ-724型火箭的實際LEO軌道運載能力肯定要超過14.2噸，公開聲明的13.5噸運載能力留有很大的餘量。再考慮CZ-7火箭的LEO軌道並非標準200千米高度圓軌道，換算到標準200千米高度LEO圓軌道的運載能力可達15.8噸左右，運載係數約2.67%，在主流運載火箭中屬於合理水平。

CZ-7火箭的另一個重點構型是CZ-734型號，根據命名規則，這是一種使用4個液體助推器的三級火箭，它的第二級也將使用4台YF-115液氧煤油發動機，第三級將使用兩台YF-75液氧液氫發動機。不過根據CZ-2E和CZ-3B火箭的情況分析，雖然前兩級發動機配置一樣，但CZ-734型火箭的前兩級儲箱長度未必和CZ-724型火箭一樣，這樣雖然CZ-734型火箭的第三級長度可能達到10米甚至12米，但全箭長度不太可能是63或65米。即使如此，根據長度56.33米的CZ-3B火箭和長度49.7米的CZ-2E火箭的對比，CZ-734型火箭的長度恐怕也會達到60米甚至更長，火箭長徑比接近或超過18，接近了著名“飛行鉛筆”獵鷹九號V1.1火箭(長徑比18.5)。巨大的長徑比將對火箭的結構強度設計和飛行控制都提出了更高的要求，是CZ-7火箭研製使用中面臨的一個重要挑戰。

CZ-734型火箭的標準GTO軌道運載能力達到了7噸，這是精心選擇的結果。我國現有CZ-3B/E火箭的GTO軌道運載能力只有5.5噸，由於潛力有限未來只能提高到6噸，算是勉強滿足了發射5.5~6噸的東方紅四號E衛星平台的需求，但下一代的東方紅五號衛星平台將達到6.5~7噸，只能CZ-5火箭或是CZ-734型火箭發射。CZ-734型火箭的發射成本遠低於CZ-5火箭，CZ-5火箭雖然理論上可以“一箭雙星”降低發射成本，但發射風險大對發射檔期要求高，在競爭上恐怕無法占上風。如果再加上CZ-3B/E火箭的逐漸淡出，CZ-734型火箭將是我國未來通信衛星發射的絕對主力，也將是未來深空探測發射的主力之一，具有廣泛的應用前景。

除了傳統的大型通信衛星發射和新興的空間站發射任務，運載火箭研究院還希望CZ-7火箭競爭SSO軌道的發射任務。SSO軌道的載荷一般是中小型載荷，接近一半在1噸以下，其他的也都在1~4噸的範圍內。由於基礎設計的制約，CZ-7構型運載能力梯度不盡合理，但運載火箭研究院仍然另闢蹊徑，提出了芯二級使用氫氧發動機的設計構型，用於執行SSO軌道發射任務，這就是CZ-720(HO)和CZ-722S(HO)型火箭。CZ-720(HO)型火箭SSO軌道運載能力2.9噸，可用於代替現有的CZ-4C火箭，CZ-722S(HO)型火箭通過捆綁兩個2米直徑助推器，SSO軌道運載能力提高到4.4噸，可用於發射未來的大型遙感衛星平台。前者的GTO軌道運載能力1.5噸，後者GTO軌道運載能力提高到2.4噸，還可用於發射未來的小型中軌道北斗衛星和2噸級全電推通信衛星平台，同樣有光明的市場前景。

總結

CZ-7中型運載火箭以成熟可靠的CZ-2F火箭設計為基礎，是我國正在研製的新一代運載火箭。從設計上說，CZ-7火箭將接替CZ-3B火箭成為我國發射大型通信衛星和深空探測器的主力，它還是空間站貨運飛船發射的正選，在低軌道遙感衛星發射市場也將和其他型號的運載火箭進行激烈的競爭，最終可能執行我國70~80%的發射任務。目前CZ-7運載火箭的助推器和芯級都已經總裝完畢，助推器還進行首次動力試車， 2014年CZ-7火箭將進行首次發射。CZ-7火箭家族構型設計和運載能力較為合理，將滿足我國現有運載火箭更新換代和未來航天發射對中型運載火箭的需求。