中国[大力神]火箭快出来了 先进程度惊人

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在2006年珠海航展上,航天科技集团为我们带来了一个不小的惊喜-"长征

"-5号大型运载火箭公开展出了!该型火箭显而易见意义非常重大-它不仅是我国数十年航天运载技术的集大成者,更是未来5-20年间我国发射大型卫星、空间站等近地航天器的首选运输工具,甚至还可以作为未来深空探测和太阳系行星登陆的发射载具!同时"长征"-5号大型运载火箭的研制成功也必将带动我国航天发射基地布局的大变革,从而将对未来中国航天事业的发展带来深远影响。

◆新运载平台:瞄准最新技术前沿

经过近四十年的努力,我国运载火箭技术取得了举世瞩目的进展。但"长征"系列火箭也有明显不足,特别是与国外火箭近几年的发展相比,差距日趋加大。这主要体现在:型号偏多,型谱重叠,可靠性有待提高-在世界10种主要运载火箭中,"长征"系列火箭的发射成功率列第7位,处在中间偏下位置,发射准备周期长-"长征"火箭发射准备周期几乎是国外火箭的两倍;缺少大运载能力火箭,整体适应能力不强。


为此,中国航天科技集团在其2000年公布的远景规划中,对新一代大型运载火箭提出了具体的发展指导思想与原则。概括地讲,新一代运载火箭的基本技术发展途径可以归纳为:一个重点、两种动力系统、三个模块,即以发展5米箭体直径的大型运载火箭基本型为重点,采用50吨级推力氢氧发动机和120吨级推力液氧/煤油发动机两种新型动力运输系统,以5米、3.35米和2.25米三种直径火箭为三个基本模块,通过模块化的不同组合,形成不同数量的新一代运载火箭系列,满足各种发射任务的需求。

与现有火箭相比,新一代大型火箭的技术改进主要有以下三点:

◎关键技术之一:大推力环保发动机技术

现在无毒、无污染的大型火箭已经成为二十一世纪运载火箭发展的主流。国外早在二十世纪八十年代已经开始着手研制大推力且环保的液氧/煤油或液氢/液氧发动机,至今已取得丰硕的成果,有的甚至已用于大型运载火箭。

采用新型燃料的火箭发动机具有明显的优点。首先,煤油作为常温推进剂,使用极为方便、安全性好,而甲烷、丙烷、液氢是低温推进剂,不好贮存,运输、加注和操作都不方便,泄漏后易起火爆炸。其次,煤油价格便宜,每千克煤油的价格只有偏二甲肼的1/30,可以较大幅度地降低发动机的研制成本和运载火箭的发射费用。发射一颗20吨重的低轨道卫星,如用四氧化二氮/偏二甲肼组成的二级半方案,推进剂费需3000万元,而用全液氧/煤油方案只需100万元。第三,液氧/煤油组合密度比冲高,是理想的助推级发动机燃料。第四,我国煤油资源丰富、贮量极大,可满足长远的需要。最后,使用液氧/煤油发动机可完全消除四氧化二氮/偏二甲胼有毒且污染环境的严重不足。


而我国目前拥有的"长征"系列火箭多采用以偏二甲肼/四氧化二氮为推进剂的中等推力液体发动机作为火箭的主级发动机。众所周知,偏二甲肼毒性较大,损害人体的肝脏。尤其是四氧化二氮/偏二甲肼的燃烧产物,对人体损害更大,并严重污染环境。

虽然我国目前已经在研制新型火箭发动机方面取得了一定进展,但因为研制时间起步较晚,因此在无毒、无污染、大推力发动机研制方面仍处于落后位置。如果我国要缩小与国外的差距,并在二十一世纪继续保持在国际航天领域的一席之地,必须加快大推力无毒发动机的研究。

◎关键技术之二:提高可靠性

运载火箭的高可靠性是获得商业发射市场优势最重要的因素之一。但目前我国"长征"系列火箭的发射成功率与目前国外使用的火箭相比仍有差距。提高我国现有火箭的可靠性、研制新型高可靠性运载火箭将是保持和扩大我国运载火箭在国际商业发射市场份额的重要课题。据悉,在可靠性方面,"长征"-5号将采用成熟的"长征"-3液氢液氧发动机技术。此外,为了进一步提高可靠性,"长征"-5号火箭的芯级与助推器还将采用独立结构的贮箱,而不再采用共底结构,上面级的液氢箱采用与芯一级液氢箱相同的结构形式。助推器与芯级的捆绑连接采用成熟的静定连接方式。为降低分离过程中的冲击、提高可靠性,火箭的分离系统将采用线性分离装置。这些新措施,将大幅度提高"长征"-5号运载火箭的系统可靠性。

◎关键技术之三:模块化设计

我国现有用于发射任务的"长征"火箭多达十几种型号,已经形成了不同运载能力的"长征"火箭系列。但与国外相比,我国在火箭系列化发展上仍有不足。国外当前运载火箭的发展,总体结构力求简化-减少火箭级数和发动机数量,结构设计趋于通用化、模块化和系列化-主要通过采用不同的上面级、捆绑不同数量的固体或液体助推器并使用不同的整流罩,来满足不同重量有效载荷的发射需要,增加了选择性和发射的灵活性。如"阿里亚娜"-5计划采用不同的上面级和改进主级,可达到发射从5.9-11吨有效载荷的能力,并能够实现高轨和低轨的多星发射,美国"德尔塔"-4和日本H一2A则计划通过捆绑液体或固体助推器形成运载能力从4-10吨级的多个品种。

令人欣喜的是,"长征"-5火箭研制中也贯彻了模块化的思想,通过将5米、3.35米和2.25米直径的几种舱段进行不同组合,可以衍生发展出14种型号各异的火箭家族。

◆大运载能力:昭示航天大发展

随着航天技术的迅猛发展和社会生活中对卫星服务的与日俱增,今后大型卫星的尺寸和重量会进一步加大。目前类似"哈勃"天文望远镜(直径4.3米,重11.6吨)、"联盟TMA"飞船(重7.1吨)、"锁眼"侦察卫星(重15吨)等大型航天器已经屡见不鲜,更何况还有国际空间站之类重达200余吨、规划重量400余吨的"庞然大物"。与此同时,小型卫星的发射任务也摒弃了以往昂贵的"一箭单星"模式,而采用一枚火箭发射十几颗卫星的"一箭多星"模式,如俄罗斯"第聂伯"火箭就曾在2006年7月27日试图将18颗小卫星送入轨道高533千米的太阳同步轨道。大型卫星和小卫星多星发射需求以及激烈的市场竞争,决定了大运载能力火箭将成为航天发射任务的主力军。国内航天器发展也不可避免地要遵循上面的普遍规律。1970年我国第一颗人造卫星"东方红一号"重173千克,1984年第一颗地球静止轨道通信卫星"东方红二号"重433千克,1988年发射的"东方红二号甲"卫星总重量为1040千克,而2005年发射的"神舟六号"飞船重约8吨!从这一系列数字的对比中,可以清晰地看出国产航天器的重量在迅速攀升。

在目前我国研制生产的运载火箭中,"长征"-3、"长征"-3A、"长征"-2E运载火箭的地球同步转移轨道运载能力分别为1500千克、2500千克和3200千克,运载能力相当于"阿里亚娜"-4火箭系列,其中"长征"-3B火箭的地球同步转移轨道运载能力与"阿里亚娜"-44L、"质子"K相当。对比上面提到的未来航天器的重量指标,可以发现"长征"系列目前的运载能力难以满足迅猛发展的中国航天事业的需求。转自81.china.com

在可以预见的将来,随着我国经济、军事和科技的进步,对航天器的功能和寿命还会有进一步的需求。那么,未来我国究竟会研制多大的卫星或航天器呢?其实这从"长征"-5系列火箭的运载能力上即可看出端倪。目前,需要较大运载能力的大型航天器主要包括地球同步卫星、大型遥感卫星、深空探测卫星和有人照料的长期在轨空间站。以"长征"-5系列火箭25吨的低轨道运载能力计算,我们可以将类似"锁眼"约20吨重的地球资源遥感卫星运送到太阳同步轨道,确保其能够始终在白天飞经目标上空,以利于其装备的大口径照相侦察器材获得最佳拍摄效果;也可以将重量达到或接近20吨的低轨道太空站一次性发射入轨,建立我们自己的太空基地,在世界空间技术竞争中牢牢站稳脚跟;甚至还可以经过几次发射,建立自己的类似"国际空间站"这样的组合式大型载人空间研究中心。以"长征"-5系列火箭14吨的地球同步轨道运载能力,我们可以向月球发射大约5吨重的有效载荷,足以满足未来绕月甚至无人登月等探月工程的需要。

同时还应考虑到争夺商业发射市场的需求。为了争夺航天发射市场,主要航天国家均发展研制了大型、重型火箭或提高现有火箭的运载能力,以实现卫星的一箭多星发射或重型卫星的发射。近两年已经有"阿里亚娜"-5、"德尔塔"-3、"质子"M投入使用,未来的7年内将有"德尔塔"-4、"宇宙神"5、"安加拉"、改进型"阿里亚娜"-5等新型火箭进入发射市场。特别值得重视的是这些新型火箭的发展计划均以低发射价格和高可靠性为研制重点,发射费用可能会比目前价格降低25-50%,从而具有强大的市场竞争力。在这种形势下,中国也只有通过研制发展具备大运载能力的"长征"-5号运载火箭,方能与之进行势均力敌的竞争。

◆新航天基地:未来的中国"卡纳维拉尔角"

随着"长征"-5号系列大型运载火箭方案的公开,我国未来的大型航天发射基地建设计划也逐渐浮出水面。笔者认为,新发射基地的选址主要应考虑如下几点:


首先,由于目前我国铁路隧道直径的限制,超过3.5米直径的火箭箭体和发动机就不能使用铁路运输了。而目前我国主要的三大发射基地酒泉、西昌和太原卫星发射中心都深处内陆,周围崇山峻岭阻隔,必须依赖铁路运输。因此,5米直径的新型火箭将无法在这些地点发射。


其次,当火箭助推器和一级箭体工作完毕后被抛掉时,这些残骸一般将坠落在发射点以东1000千米以内。环顾三大发射中心,除酒泉外,其余都存在残骸落人人口密集区域的可能,不利于安全。


最后,三大发射中心的纬度都比较高,最低的西昌发射场在北纬28.2度,目前主要用于广播、通信和气象地球同步轨道卫星的发射任务。对于轨道倾角接近0度的地球同步轨道发射任务而言,西昌的纬度还是有点高。由于运载火箭发射时大致在一个包括发射点在内的发射平面里运动,所以卫星轨道平面和发射平面??不考虑相当费能量的横向机动,发射点纬度值就是从该发射场可能发射的最小轨道倾角值。因此理论上讲,发射场因尽量靠近赤道。那么,中国的这个"最接近赤道"的发射场应该选在哪里呢?


日前,海南省省长卫留成透露,文昌卫星发射基地项目已完成论证评审。文昌这个小小县城突然成为了海内外媒体关注的焦点。文昌位于海南岛东北部,大致在东经11度、北纬19度位置,地处热带北缘,气候温和。在成为航天发射中心之前,这里仅有一道叫做"文昌鸡"的菜肴比较有名。但以航天发射中心的标准来重新衡量这个地方,她的价值就凸现出来。首先,文昌位于滨海地区,其最大港口清澜港是海南省五大枢纽港之一,可泊5000吨级船只,稍加改建就可以容纳运送大型火箭的滚装船。其次,其东向1000千米之内几乎都是南海,只有几个零星岛屿,极大地提高了残骸坠落的安全性。最后,由于文昌的低纬度,其火箭发射的运载效率高。与西昌发射场相比,在海南发射地球同步卫星,卫星的定点质量可以提高5.1%一7.4%,卫星在轨寿命可延长2.7~3.9年。与酒泉发射场相比,卫星定点质量可提高16.3%一18.5%,卫星在轨寿命可延长8,7-9.8年。如此众多的诱人之处,难怪会吸引众多专家学者的目光。在工程院院士龙乐豪的《中国运载火箭技术的成就与展望》一文中就反复强调了建立文昌发射场的紧迫性和必要性。去年"神六"发射时,载人航天工程运载火箭系统总设计师刘竹生说,为配套发射我国未来新一代运载火箭,我国应该在海南设立新发射场。中国运载火箭技术研究院新一代运载火箭负责人李东也表示,像海南文昌这样的地方就特别适合建设新发射场。一旦项目立项后,文昌将陆续得到高达数百亿的投资,建立占地40平方千米的发射基地,其中包括2个发射工位,和一个预留的发射工位。未来将有许多大型航天器从这里出发,踏上探索太空的伟大征程……


总之,从"长征"-5号大推力新型运载火箭上,我们不仅看到航天技术数十年来发展的累累硕果,更可以凭借其展望充满希望的未来!

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