重型火箭的光荣与梦想

时间:2017-02-17 编辑:九秦军事网 来源:

  根据6月23日中国广播网的中国之声《新闻和报纸摘要》报道,中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹透露我国千吨推力的新一代运载火箭即将在两年后首次发射,而运载能力百吨级的下一代重型运载火箭也进入可行性和方案论证阶段,中国航天科技集团《2011年度社会责任报告》中,则正式将重型火箭命名为长征九号,这些信息的公开标志着我国重型运载火箭的研制工作开始提上日程,几代航天人梦想的重型运载火箭,有望在不久的将来成为现实。

重型火箭的光荣与梦想

  《2011年度社会责任报告》公开了长征九号火箭的简要对比图片

  运载火箭是目前人类进入太空的唯一工具,它的运载能力是衡量一个国家航天工业水平的重要指标,也决定了一个国家太空探索和开发的基本能力。我国航天事业在过去数十年的发展中取得了丰硕的成果,但在航天技术和能力上仍存在巨大的不足,尤其是运载火箭运力的不足,已经明显制约了我国航天事业的进一步发展,如天宫一号目标飞行器质量不得不局限在8吨左右,天宫一号的舱内生活空间和设备质量对比国际空间站的主流舱段也明显偏小。两年后首次发射的长征五号火箭近地轨道运载能力将增加到25吨、同步转移轨道运力增加到14吨,长征五号火箭可以满足发射未来空间站核心舱和实验舱,以及探月三期工程采样返回探测器的需要,还具备发射大型火星探测器和木星探测器的能力。长征五号火箭的运载能力跻身大型运载火箭的主流,但运载火箭的发展又有了新的动向。

  随着人类太空探索的进一步深化,主要航天大国已经将探索目标转向深空。2004年美国提出重返月球的计划,载人登月驻月并进一步飞向火星。重返月球的星座计划要求研制AresV重型运载火箭,它的近地轨道运载能力从早期的130吨提高到188吨之多。虽然2010年美国终止了星座计划,现任美国总统奥巴马提出了载人登陆小行星和载人环绕火星的新探索计划,重型运载火箭的研制仍在进行。新的重型运载火箭被命名为太空发射系统(SLS),将分阶段不断强化运载能力,从最初的70吨近地轨道运载能力最终增加到150吨,可以满足多人小行星探索的任务需求。

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美国目前正在研制的SLS重型运载火箭,分为客运和货运型号,运力达到130吨之巨。 

  俄罗斯航天局同样在研制重型运载火箭,正在研制中的AngaraA7运载火箭的近地轨道运载能力将提高到约40吨,并做了百吨级近地轨道运力重型火箭的发展构想。印度太空研究机构同样提出了大型登月火箭的设想,将与GSLVMK3火箭联合进行载人登月或是其他深空探索。美国的载人深空探索将在现有国际空间站合作的基础上进一步推动与俄罗斯、欧洲和日本的国际合作,联合进行月球环绕飞行,建设地月拉格朗日点空间站,深入探测近地小行星,积累充足的经验后再进行载人火星探测。纵观国际航天大国载人航天和运载火箭的发展趋势,未来20年内人类将再次冲出近地轨道进入深空,研制重型运载火箭进一步提升运载火箭的运载能力,也成为各航天大国的共同选择。我国作为主要航天大国之一,无论是实现从航天大国到航天强国的转变,提高我国空间开发能力和科技整体水平,还是保持现有航天集团第二梯队的地位,都需要尽早开展重型运载火箭的论证规划,加快重型火箭的研制工作。

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长征五号火箭将达到主流运载火箭的水平,基本满足近地轨道和常规无人深空探测器的发射需求

  早在美国进行阿波罗载人登月的年代,我国在航天发展规划中就设想研制近地轨道150吨的重型运载火箭。虽然受限于经济和技术的不足,这个规划中的长征十号运载火箭始终停留在纸面上,但仍显示这个国家奋发图强的雄心。在随后的数十年岁月里,以东风五号洲际导弹为基础的长征火箭不断发展,遗憾的是原始设计限制了火箭运载能力的提高,而欧洲和日本航天先后后来居上,它们的运载火箭在技术和运力上都超越了长征火箭。鹰有时飞得比鸡还低,但鸡永远飞不了鹰那么高,虽然20世纪80年代国家战略调整后航天投资减少,导致我国航天技术进步迟缓,与航天强国拉开了距离,但到了21世纪随着国力的复苏,我国航天事业同样迎来了新一轮的发展高潮。我国航天年发射次数2004年开始超过欧洲、2011年开始超过美国,长征火箭的高密度发射堪称我国航天产业欣欣向荣的最好标志。目前天津建设中的新一代运载火箭产业化基地第一期就将具备年产12枚火箭的能力,加上北京上海原有的生产基地,新一代长征火箭的生产能力将达到更高的水平。未来长征九号重型运载火箭的研制和载人登月项目的开展,必将把我国航天事业的发展推向了一个新的高潮。

  运载火箭技术研究院梁小虹书记接受采访时时表示,重型运载火箭将采用8米直径芯级、3.35米直径助推器的设计,第一级8台发动机。火箭达到了“3000吨起飞”(质量),以此推算火箭近地轨道运载能力超过100吨。这样的运载能力可媲美美国曾经的登月火箭土星五号,仅略弱于美国正在研制的近地轨道130吨运力的SLS重型火箭,可以说是一人之下万人之上。

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龙乐豪、刘伟和何巍等人设想的重型火箭早期方案,其中液体助推器的型号最终演进为长征九号火箭

  长征九号重型火箭的研制早有预兆,几年前各学术期刊上就纷纷提及载人登月重型火箭方案设计,单台发动机推力从3500千牛到6600千牛不等,还分为单燃烧室和双燃烧室设计,火箭箭体直径也有8米、9米甚至10米的设想,助推器直径也分为3.35米和5米。在经过数年的讨论后,从最近梁小红书记和航天科技集团的报告分析,长征九号重型火箭的基本设计已经尘埃落定。它将使用8米直径芯级捆绑4个3.35米直径助推器,其中芯级4台大推力液氧煤油发动机、助推器各1台大推力液氧煤油发动机。在早期论证中大推力液氧煤油发动机曾有单燃烧室3500千牛到5000千牛的想法,后来改为3300千牛单燃烧室和6600千牛双燃烧室的设计,但综合近日采访中梁小红提到的3000吨(起飞质量),还有8米直径箭体芯级的说法,长征九号火箭的大推力液氧煤油发动机推力很可能已经降低到5000千牛左右,以减小发动机直径,提供芯级发动机双向摇摆的空间。如长征九号火箭使用8台5000千牛推力的发动机,全箭起飞推力约4000吨,结合3000吨起飞质量的说法,火箭起飞推重比约1.33,和长征二号E/F火箭相近。再以报告中的长征九号比例推算,长征九号火箭全长约88米,助推器长度约39.5米。2011年龙乐豪、刘伟和何巍合著的《重型火箭及其应用探讨》一文中,设想的重型火箭助推器直径3.35米长度约49米、推进剂质量约320吨,由此可以推算39.5米长度的长征九号火箭助推器推进剂质量约250吨。以5000千牛发动机推力估算,助推器发动机额定推力下的工作时间约150秒,和现有长征二号F火箭2.25米助推器的150多秒或是长征五号3.35米助推器的159秒工作时间都比较接近。考虑到我国运载火箭尽量减少不必要风险的设计传统,推算的长征九号火箭起飞推重比和发动机工作时间与现有火箭差别不大,可以认为推算结果和长征九号火箭真实的参数相当接近。虽然由于级间段要占去一部分长度等原因,我们无法推测长征九号火箭芯一级的确切长度,如假定8米直径的长征九号对比早期论证的9米直径火箭成比例缩小,可以大致认为长征九号火箭芯一级推进剂质量约1200吨,发动机额定推力工作下的工作时间约180秒。

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早期设计论证的600吨级液氧煤油发动机和200吨级液氧液氢发动机

从箭体尺寸判断长征九号使用的液氧煤油发动机推力很可能降低到500吨左右

  公开报道中已经指出长征九号火箭第一级使用8台发动机,但上面级设计却没有公开,但此前的方案论证中,绝大多数都倾向于使用氢氧发动机的第二级构成二级半的火箭总体设计。从长征九号火箭约88米的长度看,第二级箭体毫无疑问也是低温氢氧发动机的设计。更早的《重型火箭及其应用探讨》中的重型火箭长度约98米,但第一级长度49米也恰好比长征九号火箭长约10米,这意味着两者第二级长度很可能基本一致,主要区别在于直径从9米缩小到8米,假定第二级使用同样的设计,则长征九号火箭第二级氢氧推进剂加注量为约400吨。《重型火箭及其应用探讨》一文还提到第二级使用2台200吨级大推力氢氧发动机,2012年发表的《未来大推力氢氧发动机方案初步探讨》一文则给出了大推力氢氧发动机的详细数据,其真空推力为2460千牛、真空比冲为425秒。以这两个数据出发,可以推算出额定推力工作下第二级两台氢氧发动机的工作时间为约338秒。

重型火箭的光荣与梦想

部分美国人如NASA前局长格里芬反思认为国际空间站基于20吨级小舱段是个愚蠢的设计

或许将来长征九号火箭能用来发射中国类似太空实验室的大型空间站,降低空间站的建设成本

  长征九号重型火箭将使用二级半的火箭构型,发动机使用大推力的液氧煤油发动机和大推力高比冲的氢氧发动机,将使火箭具有较高的运载系数。二级火箭外加助推器的构型设计,还大幅度减小了火箭第一级的直径,降低了火箭和发射系统设计制造设计的难度。长征九号火箭通过二级氢氧发动机的二次启动设计,还将具备发射近地轨道载荷、同步转移轨道载荷、月球转移轨道载荷和火星转移轨道载荷的能力,可灵活用于多种任务发射。长征九号重型火箭将大幅度提高了我国进入太空的能力,其近地轨道运载能力将超过100吨,月球转移轨道运载能力40多吨,并可发射数吨质量的大型火星探测器甚至火星取样返回探测器。在低温推进剂长期在轨存储技术获得突破后,使用核火箭发动机或是核电推发动机,长征九号重型火箭还具备多次发射开展载人登火的能力,即使使用传统的低温推进剂,多次发射在轨族装也具备了载人火星环绕探测的能力,可以说长征九号火箭将大大增强我国展开深空探测的能力。长征九号火箭不仅运载能力大,8米甚至更大直径的整流罩还可提供更大的包络空间,发射大尺寸的载荷如超大直径的光学空间望远镜、超大直径的空间站舱段。大型空间望远镜将大大增强我国天文观测能力,为世界基础科学做出更大的贡献,而现有规划的3舱60吨级之后长征九号火箭推动的大型大舱段空间站,还可能在空间站发展上走出一条低建设成本和高科研价值的新路,让空间站摆脱华而不实的骂名。长征九号重型火箭研制中需要攻克的大推力液体火箭发动机、大型火箭总体设计、大直径轻质箭体和电气控制系统等先进技术,将广泛用于我国未来中小型运载火箭的更新换代,显著促进和提高我国航天产业尤其是运载火箭的整体技术水平,使我国从一个航天大国转变为航天强国。

  研制中的长征九号重型火箭近地轨道运载能力将超过100吨,而我国目前近地轨道理论运力最高的长征三号乙火箭只有12吨,即使两年后首飞的长征五号火箭也只有25吨,更不要说长征九号要突破的一系列先进技术,将填补我国航天产业技术上的空白。无论是运力上还是技术上,长征九号重型火箭都是一个巨大的飞跃,它以超大的运力和超大的包络空间,将为我国深空探测尤其是载人深空探测提供巨大的发展空间,也为近地轨道的产业化提供了可能。研制长征九号重型运载火箭,不仅是中国航天工作者和航天爱好者的梦想,也是中国历史上里程碑式的光荣,对进一步增强我国的综合国力和国际影响力有着重大的意义。

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