1957年前蘇聯使用洲際飛彈發射人類第一枚人造衛星,觸發了其他國家競相發展太空火箭把衛星送進軌道,支那也以前蘇聯彈道飛彈技術發展出自己的運載火箭。長征1火箭是支那第一個太空發射載具,其開發始於1965年以響應發射第一顆衛星"東方紅一號"的需求。火箭第一、第二段完全相同於液態推進劑的東風四型彈道飛彈再增加第三段固態火箭。由於開發運載火箭上沒有經驗,設計團隊決定以東風四型彈道飛彈為基礎,為了達到足夠的速度來脫離地球重力,固態燃料火箭為動力的第三段被裝備到二段東風四彈道飛彈上。火箭重量為 77公噸、長度為 28公尺,1970年首次成功發射具有把 0.3公噸酬載送入高度 440公里 傾角 70度軌道的能力。長征1 的第一段引擎 YF2 經由被公開的照片,已確認為四具YF-1引擎所叢集而成,每具引擎都具有渦輪泵,其燃燒室與噴嘴跟飛毛腿飛彈引擎相同。YF-2(4×YF-1)是前蘇聯伊薩耶夫設計局( Isayev design bureau)所創造的(代號 5D10)。第二段火箭由一顆YF-3引擎提供推力,這是YF-1的高高度版能夠在真空環境下運作。長征1的液態推進劑為二甲基聯氨(燃料)與紅煙硝酸(氧化劑),第三段由GF-02固體推進劑馬達提供動力。 以YF-1引擎為基礎改良放大、改採二甲基聯氨與四氧化二氮為推進劑的稱為"75公噸級YF-20",使用新引擎的運載火箭稱為長征2,是完全以東風五型洲際飛彈為基礎的太空載具。長征2C/D是兩段液體推進劑運載火箭,是低地球軌道(LEO)任務的主力發射載具,長度為 40公尺起飛重量是 213公噸,第一段與第二段火箭的直徑為 3.35公尺,第一段引擎叢集四具YF-20稱為YF-21第二段引擎使用一具長噴嘴YF-20。

長征2E則是一種有四個捆綁式助推火箭的二甲基聯氨/四氧化二氮推進劑運載火箭,其開發是基於長征2C/D的成熟技術 (簡單來說就是長征2C/D加上4具助推火箭),其概念設計開始於 1986年,目標著眼於商業發射,不安裝上面級主要用於發射低地球軌道(LEO)酬載,安裝適當的上面級可用於中地球軌道(MEO)和地球同步轉移軌道(GTO)任務。 進行低地球軌道任務其發射能力是 9.5公噸。搭配近地點固體推進劑馬達 EPKM,其GTO任務發射能力為3.5公噸。長征2E的研製成功,代表支那掌握一些火箭關鍵技術,包括捆綁式助推火箭,推進劑利用系統和大型發射台等,對於參與國際商業發射扮演了重要角色。長征2E/F火箭第一段加上適配器為 28公尺,配備YF-21引擎,它由四具可擺動的YF-20引擎叢集所構成,每具引擎的海面上推力為75公噸 四具總共300公噸推力。第二段長度為10公尺,有一具YF-20 引擎以及四具用於姿態控制的微調引擎,主引擎真空推力為80公噸,微調引擎真空推力為4.8公噸,主引擎的噴嘴是固定的,四個微調引擎噴嘴可以擺動。四具助推火箭捆綁在火箭第一段上,每具助推火箭是 15公尺長,配備一具YF-20引擎,海面上推力 75公噸 主引擎噴嘴是固定的因此採用空氣翼來控制。征2E在五次成功發射後經過修改成為長征2F,長征2F主要用來發射 7.5公噸重神舟太空船進行有人太空活動,因此強化火箭第二段以承受較重的神舟太空船並增加"發射逃逸塔( launch escape tower)",而其他部分幾乎沒有差異。總之超過 40年發射載具開發可以說是"用少錢做更多事 (do more  with less)",雖然火箭型號眾多規模龐大但只是不斷搾取"氣體產生器循環"YF-20引擎,不只性能較差其採用的推進劑燃燒效率也很低,所有長征2~4火箭包括助推段、第一段與第二段引擎全部都使用YF-20,這段期間只開發小推力引擎用於長征3與長征4火箭上面級。

 

長噴嘴型上面級、增加微調引擎與叢集四具引擎等由YF-20所發展出的系列引擎用在長征2~4各段上

支那YF-20系列火箭發動機.jpg  

 

Long March Rockets  

 

 

 專門用於發射神舟太空船的中國長征2F火箭是一種二段火箭  具有4具助推火箭,重量約470公噸是中國目前裝載最多推進劑、總比衝最高、 起飛推力也最大的火箭型號在1999年首次發射,2011年中國使用長征2F改良型(重量490公噸)發射其驗證對接技術的簡易太空站"天宮一號"。與長征3B相較長征2F或其改良型火箭才是中國真正最強力型的火箭。長征2F下一次任務預計在2016年發射天宮二號。



 長征2~4第一段火箭使用四具YF-20引擎,其中長征2F與長征3B還綑綁四具YF-20來助推,起飛時共使用八具YF-20除了長征3的第三段使用液態氫氧推進劑外其餘第一段、第二段與助推段都採用四氧化二氮為氧化劑、二甲基聯氨為燃料。



 
  由於鉛筆火箭與探空火箭(sounding rocket)的發展演進,日本固態推進劑火箭發展得較早,而L-4S發射第一顆人造衛星之前日本也開始液態引擎的設計研究,在1960年代開發出LE-1與LE-2引擎但性能並不出色只好引進美國火箭技術。1975年首次發射的N1火箭第二段引擎LE-3(壓送式循環)是三菱重工在美國Rocketdyne的設計協助下開發出來的液態引擎,該引擎的加工技術成為日本製造液體火箭引擎技術的基礎。在 1990 年代之前的日本運載火箭,只有"文部科學省宇宙科學研究所"( ISAS )的 Mu系列固態火箭與"宇宙開發事業集團"( NASDA )的上面級液態氫氧引擎 LE-5 是日本獨自開發,具有更高技術門檻的第一段大推力液態引擎仍然是美國授權生產。為了滿足發射 2 公噸級靜止衛星的需求,1984 年日本開始開發大型火箭---H2,它是第一個完全由日本國內技術設計的大型發射載具。其中高效率、大推力的"兩階段燃燒循環"液態氫氧引擎 LE-7 是整個 H2 火箭的發展關鍵,配合新開發的 LE-5A 與固態助推 SRB-EM,H2火箭在1994年初進行首次發射,日本開始具有發射 4 公噸衛星到靜止轉移軌道的能力。 由"低溫推進劑(Cryogenic propellant;液態氧在 -183度C以下、液態氫在 -253度C以下才能保持液態)"的第一段、第二段引擎與二具固態推進劑助推火箭組成,H2第一段長度35公尺 直徑4公尺主要元件是鋁制等網格推進劑槽和海面上推力約 86公噸的LE-7 液態氫氧主引擎,液態氫燃料槽長度為 18公尺 液態氧燃料槽是 8公尺長,航空電子設備安裝在燃料槽之間的機體中心部位。H2的第二段火箭長度 11公尺直徑 4公尺,擁有較大的推進劑槽和新引擎LE-5A,引擎真空推力為 12公噸,4公尺直徑液態氫槽和2.4公尺直徑液態氧槽共用一個隔板。H2的SRB-EM由四段鋼製外殼形成的固體推進劑火箭,長度23公尺 直徑1.8公尺 海面上平均堆力約160公噸。
 
著眼於成本降低與簡化構造增加火箭可靠性,H2 火箭在90年代末被捨棄(只發射7次),後繼型火箭 H2A在2001年進行首次發射。H2A的第一段長度 37公尺 直徑 4公尺 ,採用等網格構造推進劑槽;引擎為LE-7A,把LE-7側面的渦輪泵移到頂部使得LE-7A引擎變得更長,增加可節流功能的LE-7A海面上推力約 88或 85公噸(長噴嘴或短噴嘴),該段也裝設用於控制滾轉的輔助引擎,俯仰和偏航控制則由可動式噴嘴執行。為了對應更高的性能表現H2A第二段採用較大、分隔推進劑槽和真空中推力 14噸的更強健LE-5B引擎,LE-5B可節流也可重複點火多次,在動力飛行時由可動式引擎執行俯仰、偏航控制、氣體噴射反應控制系統執行滾轉;當在無動力慣性飛行時姿態調整都由氣體噴嘴反應控制系統執行,第二段長度、直徑為 9.2公尺、4公尺。 H2與H2A起飛必須有助推火箭提供推力,H2A助推段稱為SRB-A 是較粗短的一體成形(單段)固態火箭長度 15公尺 直徑 2.5公尺,引擎外殼採用纖維纏繞複合材料結構,海面上平均推力為 150~170公噸,其可動式噴嘴可用來推力向量控制,依任務需要可綑綁二具或四具SRB-A分別稱為H2A202、H2A204。H2A也可由二個或四個較小固體捆綁火箭(SSBs)提供推力,SSBs在H2A起飛後才在空中點火。
 
2009年首度發射的H2B 綑綁四具 SRB-A固態助推火箭,第一段也是等網格構造並叢集兩具LE-7A引擎(海面上推力約 176公噸)所以直徑增加到5.2公尺 長度為38公尺,較大的推進劑槽使得H2B第一段裝載的推進劑是H2A的1.7倍以上至於第二段火箭則完全與H2A相同。531噸的H2B是當今亞洲最大的發射載具專門用來發射 16.5公噸的白鸛號太空船運送實驗設備物資前往國際太空站。另外跟美國Delta4、歐洲亞利安5一樣,H2B與太空船分離後第二段火箭會進行逆噴射控制重返大氣層(re-entry)避免將來成為太空碎片。 日本最早國產液態火箭引擎是"氣體產生器循環"的LE-5用於1980年代H1火箭上面級,接下來開發出"擴張排放循環"的LE-5A、B用於火箭第二段與大推力的"階段燃燒循環"LE-7、LE-7A用於火箭第一段,對應新製造技術的更大推力固態火箭也相繼推出,除了助推段火箭SRB-EM、SRB-A外還有Mu型火箭的M-1X、M-2X、M-3X等。
 
左邊是LE-7A與右邊是LE-7,兩者是完全不同的液態氫氧引擎,LE-7A在構造上進行簡化並降低成本,但LE-7膨脹比較高使得真空比衝也較高
LE-7A & LE-7.png  
Japanese Rockets  
 


H2火箭是日本第一個純國產的大型火箭於1994年開始使用,由於昂貴且不可靠不久就被H2A取代了

 
                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                       
著眼於成本降低與簡化構造增加火箭可靠性,H2 火箭在90年代末被捨棄(只發射7次),後繼型火箭 H2A在2001年進行首次發射,H2A使用LE-7A 與 LE-5B引擎於火箭的第一段與第二段上並且使用固態火箭來助推。 H2A系列運載火箭由左而右依序是H2A202、2022、2024與204型火箭,其中2022型與2024型已除役主要原因在於LE-7A使用長噴嘴型與SRB-A性能提升,使得202型發射能力提升可以取代2022/2024型。

 
 
H2  H2A202  H2B,火箭越來越大型化。
 
 
兩國火箭績效如下
長征2F     火箭總重量471公噸   發射到GTO能力為3.5公噸   發射到LEO能力為8.5公噸 
H2           火箭總重量260公噸   發射到GTO能力為3.8公噸   發射到LEO能力為10公噸
H2A202   火箭總重量289公噸    發射到GTO能力為4.1公噸  發射到LEO能力10公噸 
H2A2022 火箭總重量320公噸    發射到GTO能力為4.5公噸   發射到LEO能力為10公噸 
H2A2024 火箭總重量350公噸    發射到GTO能力為5公噸     發射到LEO能力為12公噸
H2A204   火箭總重量442公噸    發射到GTO能力為6公噸     發射到LEO能力為15公噸
H2B        火箭總重量531公噸    發射到GTO能力為8公噸     發射到LEO能力為19公噸   
 
 
支那的火箭發展得力於前蘇聯的彈道飛彈技術,一開始就採用液態燃料而且推力也比較大,發射能力遠勝過日本從探空火箭(sounding rocket)放大而來的固態燃料運載火箭。但日本幾乎每20年就開發新火箭所以進入1990年代中期以後反而是日本變成領先者。目前支那最大最重的長征2F其發射能力比 1994年的 H2火箭還差,使用四具助推火箭也比不上只使用二具助推火箭的 H2當然更比不上H2A 與H2B,H2B的 LEO發射能力是長征2F的二倍。 2010年代推出的新火箭情況才有改變各段火箭都已對應新引擎;但長征5(本來說要2008年登場  後來延到2013年最後又說科技落後 工業水準低下所以要延後到 2015年之後) 使用的液態氫氧推進劑 YF-77 推力只有 50公噸級,1994年H2使用的 LE-7 就已經是 80公噸級了況且 LE-7的比衝還比較高。引進俄羅斯天頂號火箭第二段引擎RD-120修改放大的 YF-100是整個支那新世代火箭的重心, YF-100成為支那首個"階段燃燒循環"引擎,首次採用煤油/液態氧為推進劑的"半低溫系統(semi-cryogenic system;只有氧化劑須以低溫保持液態)",也是至今支那最強力的火箭引擎,長征5~7系列火箭必須依賴 YF-100的高推力/高效率才能起飛,如果它是個不成熟的引擎新火箭將會面臨可怕的噩夢,支那太空開發只能繼續依賴長征2~4系列舊型火箭。
 
 
H2B火箭第一段引擎LE-7A測試影片
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