2012年6月23日据中国广播网近日报道,中国运载火箭技术研究院党委书记梁小虹透露我国长征五号运载火箭将在2年后首飞,而运载能力上百吨的重型运载火箭也进入可行性论证阶段。长征五号火箭的首飞节点属于老调重弹,而新的重型火箭以其强大的性能指标,重新激起了航天爱好者对长征运载火箭发展的热情。

根据梁小虹书记的说法,新型重型火箭将使用8米直径的芯级和3.35米直径的助推器,芯一级和助推器总计8台发动机。他还提到“3000吨起飞”的说法,对于这句过于省略的文字,中国广播网的编辑认为指代火箭的起飞推力,不过根据我国火箭总体技术水平和曾发表的百吨级运力重型火箭的方案,这个3000吨更有可能是指火箭的起飞质量。官方在公开媒体上首次宣布研制具有百吨级地球低轨道运载能力的重型火箭,重型火箭媲美美国土星五号登月火箭的运力,让航天爱好者们激动万分。

世界罕见:我天朝长征9号巨型运载火箭设计演进


报告中提到的CZ-9重型火箭,它将是一个运力超过100吨的庞然大物。图中CZ-9与CZ-5系列外形尺寸最直观的的对比,这让本来以高达近60米的CZ-5在CZ-9面前却成了“小不点儿”!


在爱好者们高效的人力挖掘下,中国航天科技集团2012年发布的《2011年度社会责任报告》浮出水面。在报告第24页“新一代运载火箭型谱”中,出现了长征九号重型运载火箭及其图片,对比图中新一代长征五号重型火箭的箭体比例判断,长征九号火箭芯级直径约8米助推器直径约3.35米。这份报告以更官方的形式,证实了我国开始研制百吨级运力重型运载火箭,这意味着未来两年后即将发射的长征五号运载火箭,绝非未来数十年内我国运载火箭发展的终点,而是我国新一代运载火箭发展的一个台阶而已。通过完成长征五号火箭研制赶上世界大型运载火箭的主流水平后,我国还将进一步提升火箭的运载能力,提高我国进入太空的能力,将中国的脚步进一步伸向深空。


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以SLS为基石,美国为首的西方国家将载人航天的重点转向深空,将在未来探索小行星和火星


面对研制中的长征五号火箭分系统技术水平的相对落后,我国航天爱好者们也一直盼望能通过研制新型运载火箭,提升我国运载火箭的技术和性能,从事研制生产工作的工程师们也做了大量的论证。美国2004年提出星座计划计划重返月球的举动,推动主要航天强国形成深空探索的热潮,欧洲航天局、俄罗斯航天局、日本宇宙开发机构、印度太空研究组织先后提出载人登月的计划参与航天竞赛。研制重型运载火箭是载人深空探索任务的基础,我国航天机构同样提出了以研制下一代大推力发动机为核心的重型运载火箭构想,对重型运载火箭进行了充分的技术、经济可行性论证,近日披露的重型运载火箭固然令人振奋,但绝对是顺理成章的选择。

我国长征九号重型运载火箭的运力和美国土星五号火箭大致相当,可以满足未来载人登月、火星探测和更远的深空探测的需求。对比现有长征火箭近地轨道运力只有9吨多的现状,规划中长征九号火箭技术跨度大,强大的性能更是让人心潮澎湃难以忘怀。不过说到土星五号火箭,它悲剧的命运是后来者要牢记前车之鉴。虽然土星五号三级重型火箭近地轨道运力118吨,是美国赢得太空竞赛的最重要一环。但土星五号火箭用途单一而且发射费用过于昂贵,在赢得登月竞赛后,美国人民没有热情支持维持这样烧钱的项目,最后火箭沦为航天中心的展品,技术图纸也在资料库中无人问津,以至于数十年后登月阴谋论喧嚣日上之时,很多人甚至质疑土星五号火箭是否存在过,所谓图纸被销毁的谣言更是广为流传。财大气粗的美国航天曾面临的困境,几乎可以确定就是现在还“不差钱”的中国航天未来面临的挑战。长征九号火箭还处于研制早期的可行性论证阶段,航天部门不仅要向政治领导人阐述它在登月项目中的必要性和使用上的扩展能力,更要说服他们长征九号火箭是一个经济上可承受的项目。我国重型运载火箭数年来方案的变迁,可以说是从不切实际的诱人梦想,到脚踏实地的扎实设计的过程。

2008年的《航天推进专业发展》报告中,已经提到了为满足近地轨道100吨级运载能力和载人登月等大型航天活动,需要“动力先行”研制5000千牛级液氧/羟系统发动机方案和1500千牛级液氧液氧发动机方案,并开展3600千牛和5000千牛大推力分段式固体助推器的关键技术研究,这些预研发动机的性能指标比尚在研制中的YF-100和YF-77发动机有了巨大的飞跃。同期《火箭推进》、《航空动力学报》和《宇航学报》等学术期刊上的论文,还不约而同的出现单室高压补燃液氧煤油大推力发动机方案,大推力氢氧发动机的论证中甚至出现全流量分级燃烧循环的设计。无论是500吨级单室高压补燃液氧煤油发动机,还是150吨级全流量分级燃烧液氧液氧发动机都是液体火箭发动机的巅峰之作,但回首YF-100尤其是YF-77坎坷的研制过程,选择这样的高性能发动机设计要承担很大的风险。

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原始规划中曾出现的600吨级液氧煤油发动机和200吨级液氧液氧发动机,其推力偏大,可构成运力超过130吨的重型火箭


可能是意识到开始的不切实际,随后的论证中大推力火箭发动机的指标逐步合理化。2011年的论文中大推力液氧煤油发动机已经改为3300千牛单室、6600千牛双室的设计,这样的设计虽然大幅度降低了解决燃烧不稳定现象的难度,但6600千牛发动机对大功率推进剂涡轮泵的要求反而更高了。其实它可以看作是一个“钓鱼”的折衷方案,如果6600千牛发动机没能上马研制,至少还有3300千牛发动机可以用于现有长征火箭的升级换代,必要时还可以以此研制中等运力的运载火箭,两次交会对接完成载人登月任务。氢氧发动机的设计也同步转向更具可行性的方案,提出了推力2000千牛的燃气发生器循环氢氧发动机方案,它将使用单台富氢燃气发生器并联驱动氢氧涡轮泵的设计,虽然性能平庸但技术难度较小,可以看作美国RS-68发动机的2/3缩比版。

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我国也进行了大推力固体发动机的预研,先后研制了2米直径发动机和1米直径分段式发动机


在论证液体发动机的同时,我国航天动力研究院也提出了研制大推力固体助推器的设想,计划用10年时间分别研制出500吨和1000吨级推力的分段式固体火箭发动机。2009年初国内完成了2米直径固体发动机的试车,将推力提高到120吨,2010年初又完成了分段式固体发动机的热试车,验证了分段式发动机技术,同期国内还研制了2.25米直径的大型固体发动机。我国航天动力院计划用现有的2米120吨推力分段分别实现360吨和500吨推力。完成大型固体发动机技术演示后,进一步研制出3.5米直径5分段的千吨级固体火箭发动机。这样的路线图以分段式设计充分发挥了固体发动机技术的继承性,以较小的投资规模实现数百吨到千吨级的推力,相比技术成熟度低、攻关难度大的液体发动机在研制进度也有优势。

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大火箭天津产业基地,图中最高为93米高的全箭振动塔,可用于CZ-9的测试


从运载火箭研究院梁小红书记的访谈和航天科技集团今年披露的信息看,长征九号重型火箭的设计考虑了充分利用现有试验设备和成熟技术,还考虑了使用新技术升级现有火箭等因素。根据梁小红书记提及8米直径芯级、3.35米直径助推器和3000吨起飞质量等信息,结合已有论文中重型运载火箭1.2~1.3之间的起飞推质比,可以判断长征九号火箭8米芯级和3.35米助推器分别使用4台和1台起飞推力450~500吨的液氧煤油发动机,火箭起飞推力约3600~4000吨。其上面级将使用200吨推力的液氧液氢发动机,火箭总体为2级半结构,以3.5%的近地轨道运载系数推算长征九号火箭的近地轨道运载能力将超过100吨。根据航天科技集团报告中“新一代运载火箭型谱”中长征九号火箭长度与高度的比例,长征九号火箭全长约88米,天津新一代大型运载火箭基地的93米高度全箭振动塔足以对其进行全箭振动试验,这将分摊长征五号火箭的研发投资,降低长征九号的研制费用。我国为研制YF-100液氧煤油发动机建设了最大可支持500吨级液体火箭发动机的试车台,可以直接支持下一代的450~500吨级液氧煤油发动机研制,节省了部分研发投资。

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俄罗斯的RD-180大推力液氧煤油发动机,我国CZ-9火箭的液氧煤油发动机总体结构与其类似,在推力上还将略胜一筹


虽然大推力液氧煤油发动机对比早期方案进一步降低了指标,但其性能要高于目前执牛耳的俄罗斯RD-180先进大型液氧煤油发动机,属于大型发动机的顶尖水平。长征九号重型火箭在其他方面技术上也有很大的提高,为了降低结构质量,长征九号火箭的推进剂储箱将使用轻质高强度的铝锂合金,级间段和整流罩使用复合材料;火箭电气和控制系统将使用故障诊断系统,还以此为基础进一步实现火箭故障诊断和重构。火箭制导系统将使用捷联惯导加卫星导航加星光导航的先进复合制导方案,软件方面使用摄动加迭代的制导律,此外火箭还将具备基于天基天链系统的遥测控制能力。这些先进的火箭技术将显著提高长征九号重型运载火箭的性能,还将用于现有长征五号、六号和七号等运载火箭的升级。

长征九号火箭总体设计上也有很多圈点之处,如芯一级和助推器使用大推力液氧煤油发动机的设计,并继承现有长征火箭芯级推质比大于1可独立使用的风格。如果未来我国及时上马载人登月项目,百吨级运力的长征九号火箭自然有用武之地;如果载人登月项目中止,独立使用的芯级本身就是近地轨道运力约50吨级的重型运载火箭,用于近地轨道或是静止轨道的**载荷发射任务,或是一箭多星发射大型通信卫星。这样的设计以不变应万变,可以在未来不同预算条件下尽可能的提高投资的费效比。

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美国Atlas V 运载火箭,其芯级直径3.35米使用单台RD-180发动机,我国500吨级发动机研制成功后,很可能衍生出类似的运载火箭设计

大推力液氧煤油发动机推力选择的合理化和助推器沿用3.35米直径箭体的设计,还为设计类似美国AtlasV火箭的新一代运载火箭提供了可能。以单发500吨级液氧煤油发动机模块为基础,捆绑使用多个大推力固体助推器调节运力,重型型号由3个或5米3.35米助推器模块组成,其设计远比现有的长征五号和长征七号简洁可靠,将构成地球低轨道运力覆盖10~50吨的大型运载火箭家族,可将我国大型运载火箭的技术和性能提高到一个新的水平。由于较小运力需要使用固体助推器调节运力,这个设计方案还可以弥补长征九号火箭弃用大推力固体助推器对我国固体发动机生产带来的不利影响。

如果将长征九号火箭的新技术用于长征五号和七号火箭升级,可以以单台大推力氢氧发动机取代现有的两台YF-77氢氧发动机,以大推力液氧煤油发动机取代数量过多的YF-100发动机,避免长征五号和七号火箭第一级发动机过多设计过于复杂的问题,提高火箭的固有可靠性。至于长征九号火箭推动的铝锂合金箭体、先进电气和制导控制系统等先进技术,也可提高长征五号等火箭的性能和技术水平。

从目前零星披露的信息看,我国长征九号重型火箭已经开展了基础性的技术预研。航天科技集团曾公开报道大型发动机全尺寸木模型的研制生产,而大直径箭体也在更早的的报道中屡有提及。长征九号重型火箭通过与长征五号火箭共用部分试验设备和助推器箭体节约了成本,新型发动机和其他技术也将与商业运载火箭平摊降低成本,较好的兼顾了大运力和经济性的冲突,避免了土星五号用途过于单一的弊端。可以预见长征九号火箭未来不仅将完成我国载人登月的壮举,它的衍生型号还将把我国运载火箭技术水平提高到一个新的高度。