长征七号

因为老一代火箭在三个方面同时撞到了天花板，而这三个天花板都不是靠改进能突破的。

天花板一：落区。 长征二/三/四号的一级与助推器落在内陆山区，每次发射前要疏散数万居民，残余推进剂含偏二甲肼（强致癌物）与四氧化二氮。这个成本随发射频率线性增长——如果中国要把年发射量从十几次提到五十次以上，疏散本身就变成不可承受的。

天花板二：性能。 自燃推进剂的比冲有物理上限：偏二甲肼/四氧化二氮的真空比冲约 290–320 s，煤油/液氧可以到 335 s，氢氧可以到 460 s。要提高运力，除了加大规模没有别的办法，而规模又被直径卡住。

天花板三：直径。 3.35 m 是铁路限界。老一代火箭全部锁死在这个直径上。

新一代的解法是把三个天花板一起拆掉：

• 换推进剂（煤油/液氧、氢氧）→ 燃烧产物只有二氧化碳和水，比冲上升；
• 换发动机（YF-100 富氧分级燃烧，室压 180 bar）→ 性能大幅提升；
• 建海边发射场（文昌）→ 海运解开直径限制，落区改为南海。

**这三件事必须同时做，缺一不可。**只换推进剂而不换发射场，落区问题只解决了污染、没解决疏散；只建发射场而不换发动机，运力提不上去。

**这是一次真正的代际更替，而不是型号改进。**代价是研制周期长（YF-100 从 2000 年立项到 2016 年首飞用了十六年）、新老并行期长（长征三号乙至今仍在服役）。

一个可对照的案例是俄罗斯的安加拉：同样的目标（替换有毒的质子号）、同样的时间跨度、同样的新发动机路线。差别在于中国的国内发射需求足以支撑新老两代同时运转，而俄罗斯的需求不足以摊薄安加拉的成本。

好在把「推力」与「姿态控制」用同一套硬件解决了。

传统方案（长征三号乙）： 一台大推力主机固定安装（不摆动），外加四台小的游动发动机摆动来控制姿态。

游动发动机的问题：

• 它们的推进剂完全用于姿控，对加速几乎没有贡献；
• 它们的比冲很低（喷管小、扩张比小）；
• 它们是额外的硬件——四套燃烧室、四套供给、四套摆动机构。

这套方案在 1960 年代是必然的：大推力发动机的摆动机构（要在几吨重的发动机上实现快速精确摆动，同时保证高压推进剂管路的柔性）当时做不出来，只能让主机固定。苏联的 R-7 与它的全部后代都是这个结构。

新方案（长征七号）： 四台 YF-115 各自可摆动，全部产生有效推力。

四台机的摆动如何合成三轴力矩：

• 俯仰/偏航：四台机同向偏转，产生侧向力与绕质心的力矩；
• 滚转：四台机沿切向做差动偏转（相邻两台反向），合成一个绕轴的力偶。

**这就是为什么必须是四台而不是三台或两台。**两台机无法合成滚转力矩（它们的偏转平面共线）；三台可以但控制耦合复杂；四台是最简洁的正交布局。

收益是具体的：

• 省掉了游动发动机的全部硬件与推进剂；
• 全部推进剂都用于产生有效推力，比冲更高；
• 冗余更好——一台机故障时，其余三台在推力矢量上仍有配平余地。

这也解释了为什么很多现代火箭的上面级用多台小发动机（阿丽亚娜 6 的 Vinci 是单台，但配了独立的姿控系统；猎鹰 9 号二级单台 MVac 加冷气姿控）。方案没有唯一解，取决于「摆动机构」和「独立姿控系统」哪个更便宜。