解读中国新一代运载火箭

全国两会期间,中国航天工业系统的代表委员们成为媒体记者争相采访的对象。报道中提到最多的是长征5号大型运载火箭将于2014年首飞,长征6号、长征7号也有所提及。…[详细]那么长征5、6、7号各是什么类型的运载火箭?分成承担什么任务?都有什么设计特点?中国新一代运载火箭技术与世界先进水平相比又怎么样?腾讯军事为您作出分析。

2012-03-07 第 0029

十二五期间,长征5/6/7号火箭将实现首飞

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长征5号运载火箭想象图。它的芯级使用YF-77液态氢氧发动机,助推器使用YF-100液氧煤油发动机,最大近地轨道运力达25吨。

全国两会期间,中国航天工业系统的代表委员们成为媒体记者争相采访的对象。报道中提到最多的是长征5号大型运载火箭将于2014年首飞,长征6号、长征7号也有所提及。而早在今年2月5日,新华社记者也专访了中国科学院院士、中国运载火箭技术研究院总体设计部研究员余梦伦。新一代的长征5号、长征6号和长征7号火箭有望在“十二五”期间实现首飞。

据余梦伦介绍,“十二五”期间我国将增强现有运载火箭的可靠性,另一方面研制新一代运载火箭和先进的上面级。新一代运载火箭均为无毒无污染的推进剂,其中长征6号具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力。长征6号为新型的快速发射运载火箭,700千米高度的太阳同步轨道运载能力不小于1吨。长征7号火箭将具备近地轨道13.5吨,700千米高度太阳同步轨道5.5吨的运载能力。从反复提及的十二五期间实现首飞来看,新一代运载火箭将在十二五期间全面亮相,逐步取代替换现役的长征2号、长征3号和长征4号运载火箭系列,并新增大型航天器发射能力。

中国运载火箭技术已落后于国际先进水平

神舟飞船与天宫一号对接模拟图。天宫一号重约9吨,已达到中国现有火箭运力极限,发射未来空间站的20吨级舱段必须使用新型火箭。

经历数十年的发展,我国已经建立了包括遥感卫星、气象卫星、通信卫星和导航卫星等类型在内的比较完善的应用卫星体系,还进行了以嫦娥探测器为标志的深空探测,并进行了一系列的商业航天发射,航天事业取得了举世瞩目的成就,这对一个发展中国家来说尤为不易。

这一系列成绩的取得,与我国运载火箭技术的发展密不可分,我国运载火箭从最早只有数百千克近地轨道运载能力的长征1号火箭开始,发展到现在已经具备了近地轨道8.5吨、太阳同步轨道6.1吨、地球同步转移轨道5.5吨的运载能力,可以将不同种类卫星、飞船和探测器发射到低中高不同轨道和深空。

尽管我国运载火箭已经取得了长足的进步,我们也要看到我国运载火箭水平已经落后于国际先进水平,表现为运载能力偏低、任务适应性差、设计可靠性不足和使用成本偏高等问题。

长征2号乙运载火箭发射。中国现有火箭近地轨道运力不足9吨,同步转移轨道运力5.5吨,难以承接未来建造大型空间站和深空探测的艰巨任务。

目前长征系列火箭运载能力有限

我国现役的长征系列火箭基本设计都脱胎于40多年前研制的东风5号洲际弹道导弹,从早期历史看,东风5号导弹和长征2号火箭基本就是使用范围的不同,作为运载火箭时长征2号近地轨道运载能力约1.8吨,后通过火箭的改进提高到2.4吨又进一步提高到3吨。以长征2号为基本型号,增加第三级低温氢氧发动机和常温肼类发动机分别就成了长征3号和长征4号火箭。不过由于起飞推力不高,火箭运载能力有限,无法发射大质量的静止轨道通信卫星。为了进一步增加运力,通过捆绑不同数量的助推器,又分别研制了长征3号乙、长征3号丙和长征2号E、长征2号F等火箭。即使如此我国运载火箭也仅有8.5吨的近地轨道运载能力和5.5吨的同步转移轨道运载能力,而且很难进一步提高,无法满足大型载荷的发射需求。

而无论是美俄等传统航天强国,还是欧洲和日本等第二梯队的国家,运载火箭都达到了约20吨的近地轨道运载能力和超过6吨的同步转移轨道运载能力,具备了大型近地轨道航天器和大型通信卫星的发射能力。美俄部分运载火箭通过采用上面级多次启动技术,还具备了将卫星直接送入中高轨道、甚至地球静止轨道的发射能力。这种直接入轨方式,可以有效减少卫星推进剂的消耗,有利于提高卫星使用寿命,同时还避开了传统卫星大尺寸天线和太阳能电池板转移轨道时受冲击无规则晃动等复杂的动力学控制难题。这些都是长征系列火箭尚不具备的。

现役长征火箭的橘黄色尾焰显示它是用了有毒的偏二甲肼/四氧化二氮推进剂,不仅污染环境,价格也较昂贵,正被先进国家淘汰。

老式肼类发动机成本高、污染大

我国运载火箭性能上存在一定的差距,是技术上与先进国家拉开差距的必然结果。长征2号运载火箭第一级使用并联的4台YF20火箭发动机总推力300吨左右,第二级为高空型发动机YF-22B推力约75吨。第一级发动机推力的不足,导致不得不使用更多的发动机实现足够的起飞推力。第二级发动机缺乏全向摆动能力,通过游动发动机实现箭体的姿态控制,但引入了更多的发动机,这都在理论上降低了运载火箭的可靠性。

这些数十年前研制的火箭发动机不仅单台推力偏低,而且使用的偏二甲肼/四氧化二氮推进剂具有剧毒,生产、运输、加注等过程中麻烦而危险,容易造成环境污染和人身伤害。偏二甲肼/四氧化二氮推进剂价格也更为昂贵,不仅远高于液氧煤油推进剂,也高于液氢液氧推进剂,从而增加了火箭的发射成本。

新一代运载火箭的需求与设计规划

规划中的中国未来永久性空间站。构成它的主要模块最大重量约20吨,给火箭运载能力提出了新挑战。

我国多项航天工程对新型运载火箭提出迫切需求

我国正在开展的北斗卫星导航定位系统、高分辨率对地观测系统、新一代通信卫星和气象卫星、载人航天工程、月球与深空探测等任务都对运载火箭的发展提出了迫切的需求。其中新一代通信卫星的质量达到了6.5~7吨,载人航天工程要发射21吨左右的空间站舱段,月球探测三期工程的采样返回探测器质量也较大,都超出了现役运载火箭的运载能力,急需新一代运载火箭的更新换代。北斗导航系统等项目需要发射大量小卫星组成星座,也需要实用先进上面级的新一代运载火箭进行一箭多星发射,从而加快部署进度降低发射成本。研制新一代运载火箭不仅可以更好地满足国内市场对运载火箭技术的需求,还有助于增强我国运载火箭的国际竞争力,参与国际商业发射竞争。

我国发展新一代运载火箭中瞄准国内航天发展的需求规划了一个系列化的运载火箭设计,其运载能力设定为近地轨道最大25吨,同步转移轨道最大14吨。新一代运载火箭在技术上既要有所继承又要大胆创新,沿用了老式长征火箭的3.35米和2.25米直径箭体以及一系列经过验证的成熟设计与设备,使用了大直径箭体结构和大推力发动机等先进技术,通过通用化、组合化和系列化的设计形成设计可靠性高、运力覆盖范围广和任务灵活性高的运载火箭系列,通过跨越式发展缩短和世界先进水平的差距。

中国下一代火箭依靠上图中5米、3.35米和2.25米三种不同直径的模块像搭积木一样的组合实现运力的灵活配置。

发展思路:“一个系列、两种发动机、三个模块”

新一代运载火箭的研制可以归纳为“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体发展思路。运载火箭技术是航天发展的基础,“航天要发展,动力要先行”,所以新一代运载火箭基本上采用了全新的发动机。“两种发动机”指的是新一代运载火箭的主动力,新型的120吨级推力液氧煤油发动机YF-100和50吨级推力液氢液氧发动机YF-77。“三个模块”指的是使用氢氧推进剂的5米直径模块、使用液氧煤油推进剂的3.35模块和2.25米模块,其中5米模块采用2台YF-77发动机、3.35米模块采用2台YF-100发动机、2.25米模块采用1台YF-100发动机。

三种模块按照不同的方式组合起来,就形成了长征5号、长征6号和长征7号三种新一代运载火箭。其实航天业内在做顶层规划设计时,将长征6号和长征7号视为长征5号的亚型,即所谓的“一个系列”。这是因为长征5号用到了所有3种模块,3.35米和2.25米模块既用作长征5号的助推器,又用作长征6号、长征7号的芯级或助推器,长征6号和长征7号在技术上实则是长征5号的衍生品。下面我们将先介绍新一代长征火箭所采用的新型发动机,再介绍长征5号、长征6号和长征7号的模块组成。

为下一代火箭助推器开发的YF-100液氧/煤油发动机进行地面试车。该发动机性能达到世界先进水平,研制已接近成功。而芯级所用的YF-77液态氢氧发动机研制则遇到一定问题。

新型火箭发动机:YF-100、YF-77、YF-75D、YF-115

其中YF-100发动机是我国航天推进技术院研制的高压补燃液氧煤油火箭发动机,发动机地面推力达到了120吨,地面比冲高达300秒,其性能达到了国际液氧煤油发动机的先进水平。YF-100发动机自2006年起已经顺利完成了多次600秒长程试车,而发动机在火箭上的工作时间不过是150秒左右,其可靠性已经得到了充分的验证。YF-100发动机还在2010年和2012年分别实现了双机单摆和双机双摆试车,这也分别是长征5号助推器和长征7号芯级的YF-100发动机实际飞行状态。从目前的消息看,YF-100发动机的研制工作相对顺利,试车时间已经超过了2万秒,研制已经接近尾声,性能也基本达到了设计指标。

相比之下YF-77液氢液氧发动机进度不太理想,研制工作中遇到了很多的问题。YF-77氢氧发动机地面推力约50吨真空推力约70吨,真空比冲约428秒,其性能纵向对比YF-75是巨大的进步,但横向对比先进国家的大推力氢氧发动机则仍然落后很多。即使如此,由于我国之前只研制过真空推力78千牛的YF-75氢氧发动机,加上YF-77发动机没有原型可以借鉴,尤其是我国缺乏大推力氢氧发动机的研制和工程经验,其研制难度要大得多。目前为止YF-77发动机进行了多次500秒长程试车,其长程试车时间已经超过了火箭飞行时发动机的实际工作时间,但考虑到发动机试车过程中暴露出来的诸多问题,完成研制工作仍有待时日。

除了作为主发动机的YF-100和YF-77发动机,我国还为新一代运载火箭研制了YF-75D膨胀循环氢氧发动机和YF-115液氧煤油发动机。从目前的报道看,YF-75D发动机性能现有的YF-75发动机相近,均为真空推力约80千牛和真空比冲约440秒,但可靠性有了很大提高,还可能具备更多的启动次数,用于长征5号火箭的上面级。YF-115则是小推力的高压补燃液氧煤油发动机,真空推力18吨用于长征6号和长征7号火箭的第二级。

长征5号火箭根据任务需要进行灵活配置的示意图:以构型A为基准,A发射步转移轨道卫星时,需要增加一个上面级;而进行近地轨道极限载重发射时,则将所有助推器更换为3.35米直径型。

长征5号

新一代运载火箭中长征5号火箭芯级为5米直径火箭模块,使用2台YF-77氢氧发动机,加满推进剂后的质量约175吨。由于芯级本身的推力小于自重无法独立使用,因此长征5号所有型号必须捆绑4个助推器,而助推器有2种,包括采用1台YF-100发动机的2.25米模块和采用2台YF-100发动机的3.35米模块。长征5号在发射地球同步转移轨道卫星时,还需要采用二级半设计,增加了使用2台YF-75D发动机的上面级。

长征7号的芯级为3.35米模块,共有5种不同的构型。基本构型为二级设计,一、二级均是3.35米模块,一级采用2台YF-100发动机,二级采用2台YF-115发动机,低轨发射能力4.5吨。通过捆绑2个或4个2.25米模块助推器,长征七号就可以获得2种推力更大的构型,低轨发射能力分别为9吨和15吨。而在此基础上再增加第三级——采用2台YF-75D发动机的5米模块,又获得2种用于发射地球同步轨道卫星的构型,发射能力分别为3吨和6吨。

从发射能力来看,长征7号才是目前现役长征2号、长征3号和长征4号系列火箭的替代者,可以用于发射现有的东方红4号通讯卫星、北斗二代导航卫星、神舟飞船和未来的货运飞船等。2010年长征七号火箭立项,2011年底已经通过初样阶段评审,全面进入初样研制阶段。

长征2号F火箭运载神舟飞船升空。未来长征7号家族将全面取代现役长征2号、长征3号和长征4号系列成为下一代中国航天发射主力军。

长征7号

由于长征5号运载能力最小的构型,其运载能力也达到低地球轨道10吨的水平,对不少发射任务来说仍是极大的浪费,所以还需要推力较小的运载火箭,这就是长征7号。

长征7号的芯级为3.35米模块,共有5种不同的构型。基本构型为二级设计,一、二级均是3.35米模块,一级采用2台YF-100发动机,二级采用2台YF-115发动机,低轨发射能力4.5吨。通过捆绑2个或4个2.25米模块助推器,长征七号就可以获得2种推力更大的构型,低轨发射能力分别为9吨和15吨。而在此基础上再增加第三级——采用2台YF-75D发动机的5米模块,又获得2种用于发射地球同步轨道卫星的构型,发射能力分别为3吨和6吨。

从发射能力来看,长征7号才是目前现役长征2号、长征3号和长征4号系列火箭的替代者,可以用于发射现有的东方红4号通讯卫星、北斗二代导航卫星、神舟飞船和未来的货运飞船等。2010年长征七号火箭立项,2011年底已经通过初样阶段评审,全面进入初样研制阶段。

长征6号

长征6号火箭使用3.35米直径的第一级和2.25米直径的二、三级,其第一级仍然使用1台YF-100发动机,第二级使用1台YF-115发动机,第三级使用4台1000牛的过氧化氢/煤油发动机。长征6号的700千米高太阳同步轨道运载能力约为1吨,可以视为现有长征1号D的替代型号。另有报道称长征6号火箭还可能捆绑小型固体助推器以增强运载能力,从而填补长征六号基本型号与长征七号基本型号之间的运力空白。据中国航天报讯,2009年9月长征6号火箭立项,目前已转入初样研制阶段。

新一代运载火箭还存在发动机推力偏小、结构重量大等问题

美国私营宇航公司SpaceX的Falcon 9运载火箭。它使用9台成熟的灰背隼发动机,最大近地轨道运力达28.7吨,且单次发射只要5千4百万美元。

新一代运载火箭研制成功后,我国将掌握5米大直径火箭技术和新一代火箭发动机技术,大幅度提高了我国航天发射能力,可以满足未来20~30年我国航天技术发展的需要。不过虽然新一代火箭的运载能力提高到国际主流运载火箭的水平,但在技术上仍有差距和不足。如我国新一代火箭发动机仍然推力较小,氢氧发动机不仅推力小、比冲也偏低,这些都制约了我国新一代运载火箭能力的进一步提高。

此外新一代火箭还存在运载系数偏低的问题,如长征七号火箭起飞质量579吨而近地轨道运载能力不过13.5吨,运载系数不仅低于使用高压补燃液氧煤油发动机的天顶火箭,也低于使用开式循环发动机的美国猎鹰火箭,其中既有发动机推重比小的问题,也有壳体结构质量过大的问题,这反映我国新一代运载火箭在发动机等各个分系统和总体设计上仍有很大的进步空间。

我们期待新一代运载火箭进行类似长征二号丙火箭的改进,挖掘潜力大幅度提高火箭的运载能力,更希望我国航天动力研究院规划的下一代300吨级大推力发动机能早日立项研制,从而进一步提高新一代火箭的通用化和组合化设计水平,拉近与世界先进水平的差距。

长征5、6、7号火箭的报道虽然让人眼花缭乱、应接不暇。但从基本性能上来看,长征6、7号着眼于替换现有的长征1、2、3、4号运载火箭,通过先进技术降低发射成本、减轻对环境的污染。长征5号则新增了大型航天器发射能力,为未来发射重型通讯卫星、组建空间站、探月三期工程作准备。

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