2020年12月22日我國自主研制的新一代中型運載火箭——長征八號在海南文昌航天發(fā)射中心順利首飛，長征八號作為我國專為中高軌道航天器發(fā)射而研發(fā)的新一代中型運載火箭，首飛既以“一箭五星”的方式，成功將一顆主星和四顆小衛(wèi)星送入預定軌道，自此我國運載火箭家族又多了一名新成員。
在長征八號身上有很多亮點存在，除了長征八號是直接基于長征七號運載火箭基礎(chǔ)上衍生而來的以外，同時長征八號還將是我國首次以國家隊身份自主研制的第一款具備垂直回收、重復使用的低成本運載火箭，未來長征八號除了更多的替代服役多年、且運載力已經(jīng)不能滿足未來航天發(fā)射需求的長征四號系列運載火箭承擔太陽同步軌道航天器發(fā)射任務(wù)外，還將利用自身低發(fā)射成本優(yōu)勢進入商業(yè)航天市場分一杯羹。
為了適應未來航天發(fā)射和垂直回收重復使用需求，在長征八號身上存在很多特點，而這些特點的組成也使得長征八號未來發(fā)展前景更好更遠大，比如：
一、從首飛的長征八號硬件配置來看，3.35米直徑配兩臺120噸級液氧煤油發(fā)動機YF-100的芯一級、2.25米直徑配一臺YF-100的助推器、3米直徑配兩臺8噸級液氫液氧發(fā)動機YF-75的二級、4.2米直徑的整流罩……很顯然，首飛的長征八號就是把“長征七號”運載火箭的二級換成一個“長征三號甲”的氫氧三級，再去掉兩個助推器所形成的產(chǎn)物，而這個構(gòu)型其實就是當年長征七號立項時設(shè)計的長征七號722（HO）方案。所以對于長征八號而言直接移植長征七號的硬件配置，既能大幅降低研發(fā)成本，而且借助長征七號作為未來我國航天主力型運載火箭的優(yōu)勢，長征八號的發(fā)射成本更為低廉，發(fā)射的便捷性也更為方便的多。
二、長征八號雖然只是一枚二級半構(gòu)型的運載火箭，但是其700公里太陽同步軌道的運載力達到了4.5噸以上，不僅提升了此前專職于這一軌道的長征四號只有3噸的運載力，而且也為我國新一代使用綠色環(huán)保燃料的火箭家族填補了這一高軌的發(fā)射空白。而且長征八號的二級半構(gòu)型除了適合高軌發(fā)射需求外，還非常適合相近的地球同步轉(zhuǎn)移軌道和近地軌道發(fā)射需求，特別是在小噸位地球同步軌道發(fā)射能力上，二級半構(gòu)型比長征三號甲和長征七號改更有低成本發(fā)射優(yōu)勢，因此長征八號的出現(xiàn)也進一步完善了我國運載火箭型譜，滿足了航天后續(xù)發(fā)射任務(wù)的需求。
三、大家對于長征八號的希冀更多的還是停留在商業(yè)航天發(fā)射上，隨著美國Space X的獵鷹9運載火箭采用一級回收和整流罩回收技術(shù)大幅降低發(fā)射成本后，不光使得獵鷹9運載火箭成為了商業(yè)航天發(fā)射市場的低成本寵兒，而且也開創(chuàng)了運載火箭回收重復使用的先河。所以我國基于本身低成本發(fā)射優(yōu)勢的長征八號基礎(chǔ)上開展垂直回收、重復使用技術(shù)不光順理成章，而且能夠更進一步的增強長征火箭家族在商業(yè)航天市場的影響力。
但是對于長征八號而言，想要實現(xiàn)火箭垂直回收現(xiàn)階段的硬件配置還無法滿足其垂直回收需求，按照長征八號的垂直回收方案設(shè)計，未來具備垂直回收功能的長征八號將直接采用“集束式芯一級+助推器整體回收的方案設(shè)計（這個集束式方案剛剛在長征七號改型遙二上試驗成功），這個方案設(shè)計兩臺助推器增加了芯一級降落時的重量，使得芯一級在末端精準姿態(tài)調(diào)整時發(fā)動機推力調(diào)整范圍不會太大降低了回收難度；又因為長征八號在發(fā)射過程中不再需要經(jīng)歷驚心動魄的助推器分離階段，所以不光省略了分離裝置的重量，更提升了長征八號的發(fā)射安全可靠性。
但是現(xiàn)階段長征八號的芯一級和助推器在面對垂直回收機制時，無論是配備的火箭發(fā)動機還是氣動控制方案都無法滿足垂直降落需求。比如長征八號延續(xù)了長征七號的芯一級和助推器硬件配置，長征七號的芯一級裝備的兩臺發(fā)動機采用泵前雙擺技術(shù)，助推器裝備的單臺發(fā)動機則采用泵前單擺技術(shù)，不能垂直回收的問題不是發(fā)動機數(shù)量的問題而是這個泵前擺和發(fā)動機構(gòu)型存在沖突的問題，這也是現(xiàn)階段長征八號不能實現(xiàn)垂直回收的原因所在。
參考美國獵鷹9運載火箭芯一級一開始裝備的9臺發(fā)動機采用了“3*3田字形”排列方式，到獵鷹9.1.1版本的時候首次嘗試垂直降落之前，獵鷹9一級火箭的九臺發(fā)動機排列方式從3*3變成了環(huán)形布置方式，主要原因除了之前的田字形布置方案存在九臺發(fā)動機推力輸出差值較大會直接影響獵鷹9飛行安全外，還有一點就是垂直回收需要采用火箭發(fā)動機反推減速技術(shù)，而且在火箭發(fā)射會回收的過程中發(fā)動機需要較大范圍擺動來調(diào)整自身姿態(tài)，田字形布置方案中發(fā)動機間距太小，根本無法實現(xiàn)發(fā)動機姿態(tài)調(diào)整需求。所以換成環(huán)形布置后，除了周圍八臺發(fā)動機推力中軸線更為重疊外，最中間的發(fā)動機與周圍發(fā)動機間距更大，更適合大范圍調(diào)整，特別是后期換裝了加長噴管長度的梅林1D后對于空間要求更高。
但是對于長征八號而言，雖然在垂直回收方案中，芯一級的發(fā)動機只負責最后的精準姿態(tài)控制降落，兩側(cè)的助推器則承擔返回初期反推減速卻不參與末端降準姿調(diào)整，這也是為了避免同型號的火箭發(fā)動機如果點火次數(shù)不同，其結(jié)構(gòu)也會有細微的差別，在這里如果全程都讓芯級點火兩次進行減速，而助推器不點火，會讓助推器和芯級的發(fā)動機結(jié)構(gòu)產(chǎn)生差別，對降低成本而言這可不是好事。其次現(xiàn)階段長征八號芯一級裝備的兩臺YF100發(fā)動機使用的還是泵前擺技術(shù)，也就是需要調(diào)整火箭姿態(tài)時整個發(fā)動機需要擺動，這就造成整個擺動過程中占據(jù)的空間更大，而且擺動空間也有嚴格限制。但是對于垂直降落末期只有芯一級反推、姿態(tài)控制卻掛載了兩個助推器增加了左右不平衡力矩的長征八號而言，在垂直回收過程中，芯一級的發(fā)動機在降落末期反推減速的發(fā)動機擺動姿態(tài)要比獵鷹9的發(fā)動機擺動姿態(tài)更大才行。
長征八號的芯一級3.35米直徑雖然只比獵鷹9的3.7米直徑小半米，如果直接讓芯一級的發(fā)動機采用泵前擺技術(shù)的話，除了無法滿足大姿態(tài)左右平衡需求外，還有一點就是在垂直回收反推的過程中，發(fā)動機的推力調(diào)整范圍要更大，雖然現(xiàn)階段長征八號芯一級使用的YF100具備推力大范圍調(diào)節(jié)能力，但是泵前擺技術(shù)在兩臺發(fā)動機同時“內(nèi)八”擺動較大來大范圍調(diào)整火箭姿態(tài)時勢必會相互干擾。這個問題在火箭爬升過程中問題不大，畢竟捆綁的助推器也具備單擺能力可以參與姿態(tài)輔助調(diào)整，但是在垂直回收時助推器只承擔初期減速作用并不參與姿態(tài)調(diào)整，特別是距離地面更近需要調(diào)整姿態(tài)和推力精準降落時，兩臺發(fā)動機相互干擾的問題更明顯，很可能就和剛試驗完成的星艦SN9原型機一樣，快要接近地面的時候姿態(tài)沒控制好跌落爆炸。
好在我國基于YF100泵前擺技術(shù)改進而來的YF100K泵后擺發(fā)動機，2019年12月正式完成了運載火箭發(fā)射過程中所需的500秒長程泵后擺熱試車試驗并取得成功。所謂的泵后擺技術(shù)就是發(fā)動機在擺動過程中只有噴管單獨擺動，上面的渦輪泵等部件不再參與整體擺動，不光降低了發(fā)動機推力損失、降低了發(fā)動機重量，比如YF100K最大推力相比YF100提升了5噸，發(fā)動機重量卻降低了近三分之一，而且噴管單獨擺動還提升了YF100K發(fā)動機的噴管擺動范圍，使得其具備更大范圍的姿態(tài)調(diào)整能力。
那么對于長征八號未來垂直回收時而言，只有噴管單獨擺動縮小了占據(jù)空間，兩臺發(fā)動機在反推減速調(diào)整姿態(tài)的時候就不會相互打架，而且只有噴管單獨擺動、且噴管單獨擺動角度更大，也顯著提升了長征八號在垂直回收末端時的姿態(tài)控制能力，畢竟還外掛了兩個只搭順風車的助推器。而且采用泵后擺技術(shù)提升了火箭垂直回收時的姿態(tài)控制能力后，這項垂直回收技術(shù)甚至可以直接移植到長征七號上，也讓長征七號具備低成本、可重復使用優(yōu)勢。
另外承擔長征八號整體降落過程中氣動姿態(tài)控制的格柵舵技術(shù)我國也已經(jīng)掌握，2019年和2020年我國先后在長征四號乙遙38和長征四號乙遙41型運載火箭上測試了最新研制的氣動格柵舵，使得分離高度更高的芯二級降落范圍縮小了85%以上。而長征四號和長征八號一樣都是承擔高軌發(fā)射的，那么在長征四號上驗證成功的氣動格柵舵技術(shù)同樣可以適用于長征八號垂直返回時的啟動姿態(tài)控制。
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