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长征2F运载火箭发展简介

长征2E为发射大质量的商用卫星而开发,不过7次发射2次失败,可靠性明显达不到载人航天需要。

用于载人航天工程的长征2F的首要考虑是可靠性,设计中大量使用已有成熟技术,将可靠性提升至97%。

中国载人航天工程目前采用的是长征2F运载火箭,这是中国以原有的长征2E火箭为基础,为载人航天任务专门研制的运载火箭。

长征2F火箭着重提高安全性

长征2E火箭又称长征二号捆绑火箭,是20世纪80年代末为发射商业通信卫星而研制的捆绑式火箭,它的研制使中国运载火箭200千米高度近地轨道(LEO)发射能力从长征二号的2.4吨增加到约8.8吨。不过长征2E火箭的可靠性并不算高,总计7次发射中就有2次失败,这个可靠性完全无法满足载人航天的需求。

长征2F火箭总的设计原则是确保运载火箭的可靠性和航天员的安全,尽可能实现一度故障工作、二度故障安全的设计思想。为了达到载人运载火箭的可靠性和安全性,在设计中首先注重实用成熟的设计技术和生产工艺,如沿用长征2E火箭原有的四个助推器、芯一级、芯二级等成熟部件,力图通过过去几十年积累的设计、工艺和制造经验保证可靠性;其次广泛采用冗余和裕度设计技术,对可靠性影响较大的部件实行冗余设计,对不能进行冗余设计的进行裕度设计,尽可能降低运载火箭整体复杂程度和元器件质量水平对可靠性的影响;此外针对火工品误炸的问题,全面使用钝感火工品,降低误炸可能;最后增加了逃逸塔和故障检测处理系统。

通过这些可靠性和安全性的改进,长征二号F火箭成为中国目前可靠性设计指标最高的火箭,保证了中国载人航天发射的安全可靠,将可靠性提高到0.97,安全性指标为0.997。

长征2F运载火箭性能简介

长征2F运载火箭沿用了长征2E的两级半构型,由4个助推器、芯一级、芯二级、飞船整流罩、逃逸塔组成,火箭全长58.3米,起飞总质量479.8吨,是中国已有运载火箭中最高最重的设计。长征二号F火箭可将超过7.8吨的载荷送入轨道倾角42.4度、轨道高度200X350千米的轨道,200千米圆轨道的运载能力约8.6吨。

作为中国载人航天的唯一运载工具,长征2F火箭自1999年以来神舟一号到神舟七号历次发射均圆满成功。

长征2F/G和长征2F/H运载火箭

发射天宫一号的长征2F/G想象图,小幅加提升了运载能力,发射约9吨重的天宫一号已够用,未来发射起飞重量约13吨的国产货运飞船则需运力更强的长征2F/H。

天宫一号由长征2F/G火箭发射

随着中国载人航天工程进行第二阶段,长征2F原有的运载能力已难以满足更重航天器的发射需求。今年9月天宫一号空间实验室发射将采用经过改进的长征2F/G运载火箭(G表示改进)。长征2F/G火箭在长征2F基础上作了少许改进,主要是助推器略微加长,改用双激光惯组主从冗余,运载能力略有提高。天宫系列空间实验室的发射重量在8.5至9吨之间,长征2F/G已够用,所以预料天宫二号、天宫三号仍由长征2F/G火箭发射。

长征2F/H改用液氧煤油发动机

但天宫三号发射后,需要与货运飞船对接,进行货运补给试验。以天宫系列空间实验室为基础设计的货运飞船,上行货运能力达到约6吨,飞船总重量约13吨,明显超出现有长征2F/G火箭约9吨的运载能力。因此,中国计划研制新一代的长征2F/H运载火箭(H表示换)来发射货运飞船。长征2F/H比起长征2F有大幅改进,主要是将原来的偏二甲肼-四氧化二氮发动机,改为与长征5号配套的YF-100液氧煤油发动机,电气系统和地面测发控系统使用一体化设计。

YF-100液氧煤油发动机推力比以往的发动机大,使得长征2F/H火箭的运载能力提高到13吨,满足发射货运飞船的需求。另外,推进剂改为液氧煤油,取代剧毒的偏二甲肼-四氧化二氮,对环境保护也大有好处。

运载能力最强的长征3B火箭

长征3B是目前国内起飞重量最大的运载火箭,也是目前国内唯一能够搭载嫦娥工程后续的月球软着陆器的型号,但它的改进潜力有限,已经落后于日本的H-IIB。

长征3B运载火箭性能简介

尽管长征2F是国内发射重量最大的运载火箭,但从理论上说中国LEO(近地轨道)运载能力最大的火箭是长征3B火箭。长征3B运载火箭灵活使用了模块化、系列化和通用化的设计思想,以长征3A火箭进行适应性修改作为芯级,借鉴长征2E火箭捆绑助推器的经验增加了四个液体助推器,从而获得了更大的运载能力。

长征3B火箭全长54.84米,起飞质量425吨,芯一级和芯二级直径3.35米、助推器直径2.25米,三子级直径3米,整流罩最大直径4米。长征三号B运载火箭的GTO(同步转移轨道)运载能力约5.1吨,近年来增强版本长征三号BE进一步增加到5.5吨,理论上的LEO(近地轨道)运载能力分别为11.2吨和12吨。在长征5号等新一代运载火箭服役前,长征三号B火箭仍将是中国发射大型通信卫星的主力,也是唯一可将3.5吨的嫦娥三号和四号软着陆落月探测器发射进月球轨道的火箭。

长征3B运载能力仍然偏小

2010年末长城公司发布的用户手册显示中国还有将长征3B火箭的GTO运载能力进一步增加到6吨的方案,这个运载能力将达到欧洲空间局Ariane 5G火箭的水平,不过这基本是长征3B火箭设计的极限。1997年首次发射成功长征3B火箭是中国竞争商业航天市场的主力,也是国内唯一具备向GTO发射大型载荷的运载火箭。

但对比其他航天强国的运载火箭,其运载能力并不算突出,当时仅仅比日本的H-II火箭略强。多年后的今天,增强型的长征3BE虽然GTO运力增加到了5.5吨,但日本GTO运力8吨的H-IIB火箭已经投入使用。

世界大推力运载火箭纵览

美国波音公司的德尔塔IV重型版,全氢氧推进设计使其运载系数高居世界第一,LEO运力超过22吨。

由苏联设计师切诺梅的全球火箭计划演变而来的质子系列是俄罗斯现有LEO运力最强的火箭家族。

在当今世界主要航天国家中,中国大推力火箭的运载能力是尴尬的倒数第二,仅领先于印度,但就发射规模来说,印度并不算一个真正的航天强国。说起大推力运载火箭,人们很容易想起登月的土星5火箭和苏联的能源火箭,不过这些LEO运载能力百吨级的巨型运载火箭任务单一,早已退役多年。当前世界上主流的大型运载火箭的LEO运载能力为20吨左右、GTO运载能力在8~12吨级,远高于中国运力最大的长征3B火箭。

美国

作为航天头号强国,美国一次性大型运载火箭现在基本由联合发射联盟垄断,联合发射联盟拥有LEO运载能力约19.8吨、GTO约9吨的宇宙神5(Atlas V) 551大型运载火箭,还有LEO运载能力约22.5吨、GTO约13吨、GEO(地球同步静止轨道)发射能力约6.3吨的德尔塔4(Delta IV) Heavy重型运载火箭。德尔塔4火箭还是世界上唯一的全氢氧发动机设计,运载系数位列世界第一。

俄罗斯

俄罗斯则继承了苏联时代留下的质子(Proton)火箭并有所发展,质子火箭的LEO运载能力达到了21吨、GTO运载能力约6吨。类似Delta 4火箭,它也有直接将卫星发射进GEO(地球同步静止轨道)的能力,GEO运载能力约3.5吨。

欧空局阿丽亚娜5系列运载火箭虽然起步较晚,其最新改型的LEO能力也已达到21吨。

日本的H-IIB运载火箭已经2次成功完成向国际空间站发射总重约16.5吨的HTV货运飞船的任务。

欧洲

相比美苏两强早在20世纪60年代就研制了百吨级和20吨级大型运载火箭,其他国家的大型运载火箭发展较晚。1996年欧洲空间局的Ariane 5 G火箭首次试射,它的LEO运载能力达到了16吨、GTO运载能力约6吨。到了今天,Ariane 5 ES的LEO运载能力达到了21吨、Ariane 5 ECA的GTO运载能力达到了10.5吨。

日本

日本1994年首次发射了新一代的H-II火箭,连续失败后又发展了新的H-IIA火箭并于2001年首次发射。H-IIA火箭设计中曾包括GTO7.5吨和9.5吨的H-IIA 212和222构型,但这些使用液体助推器的型号已经取消。即使如此,已有的H-IIA 204型火箭仍然实现了约15吨的LEO运载能力和6吨的GTO运载能力。日本最新的H-IIB火箭则进一步跻身大型运载火箭之列,具有19吨LEO、16.5吨国际空间站轨道和8吨GTO运载能力。

长征五号运载能力将达世界先进水平

长征5运载火箭的几种构型:通过搭配不同型号的助推器和上面级,长征5家族可涵盖LEO10~25吨、GTO6~14吨的运力范围,可满足中国未来空间站的建设需要。

长征五号计划于2014年首次发射

对比国外主流大型运载火箭,中国现有运载火箭的能力大有不足。如果说此前缺乏大质量载荷的发射任务,属于有效需求不足没有发展的话,那么随着空间站20吨级大型舱段、质量6.5~7吨的东方红五号大型通信卫星以及探月计划三期的大型取样返回月球探测器的研制,中国运载火箭的运力已经成为瓶颈。所以中国在多年前就开始规划设计新一代大型运载火箭,这就是长征五号运载火箭及其衍生型号。

长征五号运载火箭在2006年正式立项,计划2014年左右在海南文昌首次发射,使用长征五号技术的3.35米直径的长征七号中型运载火箭和3.35米直径的长征六号小型运载火箭也先后开始研制。

运载能力达到世界先进水平

长征五号运载火箭作为中国运载火箭更新换代、追赶国际先进水平的关键一步,在主要性能指标上已经达到或超过国际主流大型运载火箭的水平。长征五号运载火箭基于120吨级推力的YF-100液氧煤油发动机和50吨级推力的YF-77液氢液氧发动机研制,设计中贯彻模块化、通用化和系列化的设计思想,以5米直径芯级为核心分别捆绑不同数量的3.35米和2.25米直径的助推器。LEO发射使用一级半构型,即一个芯级、捆绑助推器,GTO增加了基于YF-75D氢氧发动机的上面级,构成了A~F六个型号的长征五号火箭,覆盖了LEO10~25吨、GTO6~14吨的运力范围。

其中与未来空间站建设紧密相关的是长征5A、长征5B和长征5C,长征5B的LEO运载能力为25吨,可用于发射未来空间站的核心舱和实验舱;长征5A的LEO运载能力为18吨,可用于发射货运飞船;长征5C的LEO运载能力为10吨可用于发射神舟载人飞船。长征五号火箭单纯从运载能力上说,LEO和GTO的最大运力都达到或超过了现有主流大型运载火箭,但国外也有运力更大的火箭在研制中,这点将来时的优势并不值得沾沾自喜,更重要的是长征五号的发动机在技术上与世界先进水平仍然有较大差距。

各太空强国主要大中型火箭尺寸对比。每一枚火箭都是杰出的技术结晶——如果仔细观察,左一美国土星-IB火箭脚下有一个仅占两像素的黑点,这是同比例下的一个成年人,在这些人造巨无霸的体型之大可见一斑。

国产火箭发动机落后较多

长征5系列将使用的YF-77氢氧发动机,属50吨推力级别,处于目前主流氢氧发动机中的垫底水平。

国产120吨级推力的YF-100煤油/液氧发动机,性能仅超过目前仍在使用的一些低端同类产品。

新型火箭发动机性能落后

长征五号运载火箭基于120吨级推力的YF-100液氧煤油发动机和50吨级推力的YF-77液氢液氧发动机。这两款新型发动机的推力和比冲都较小,尚未实用、性能已经落后,导致长征5号各构型需要使用的发动机数量都比较多。如系列中运载能力最强的长征5E,共有8台YF-100液氧煤油发动机、2台YF-77和2台YF-75D氢氧发动机;而运载能力相当的美国重型德尔塔4只有4台氢氧发动机。发动机数量过多会增加火箭制造成本、也会对火箭发射的可靠系数带来影响。

考察液体火箭发动机主要有2个指标,一个是最大推力,另外一个是比冲。在相同的发射重量下,火箭发动机的比冲越高,火箭的运载能力就越强;火箭发动机最大推力越大,所需的发动机数量就越少。

多国火箭发动机横向比较

国外目前均采用推力较大、比冲较高的高性能火箭发动机,以上文提到的各国大型运载火箭为例,美国宇宙神5火箭使用引进的俄罗斯RD-180液氧煤油发动机,真空最大推力4320千牛,真空比冲337.8秒;俄罗斯质子火箭的RD-253液氧煤油发动机虽然相当老旧,但使用分级燃烧循环设计,真空最大推力仍然达到1830千牛,真空比冲316秒。在氢氧发动机方面,美国的德尔塔4火箭使用本国普惠公司生产的RD-68大推力氢氧发动机,这也是世界上推力最大的氢氧发动机,真空最大推力3445千牛,真空比冲409秒;欧空局的Ariane 5火箭使用法国斯奈克玛公司的Vulcain 2氢氧发动机,真空最大推力1340千牛,真空比冲431秒;日本H-IIA/IIB使用本国的LE-7A氢氧发动机,最大推力1098千牛,真空比冲442秒。

相对来看,YF-100液氧煤油发动机真空最大推力为1340千牛,真空比冲约330秒;YF-77液氧液氧发动机真空最大推力约为70千牛,真空比冲428秒。在主要的地面启动液氧煤油发动机中,YF-100性能仅仅超过了老式的RS-27、RD-107和SpaceX廉价的Merlin等发动机,YF-77液氢液氧发动机更是在主流氢氧发动机中推力和比冲双垫底。这些事实提醒我们的航天液体发动机还需要加大投入,追赶世界先进水平。

推力和比冲是衡量一种火箭发动机的两项最重要数据,图表中是中国为长征5号火箭开发的YF-100氢氧发动机和YF-77煤油-液氧发动机与国外几种著名大推力火箭发动机的性能对比图。必须承认,在关键的火箭发动机领域,中国与其他西方大国差距仍很明显。

结语

中国长征系列运载火箭源于军用导弹,核心的发动机技术只是上世纪60年代国际水平,能够打入国际市场主要依靠优秀的成功率和低廉的发射价格。目前,长征火箭的运载能力仅仅领先于印度,虽然新一代长征五号运载火箭运力赶上了世界主流水平,但火箭发动机技术差距仍然很大。

未来中国仍需要推力更大、比冲更高的液氧煤油发动机和氢氧发动机,以满足深空探测、载人登月和大型空间站的发射需求,为探索和利用太空提供强大支持。(文/张雪松 黄治茂)

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