彭振忠

2016年11月3日20時(shí)43分，我國(guó)首枚大型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。長(zhǎng)征五號(hào)作為我國(guó)運(yùn)載火箭升級(jí)換代的里程碑工程，是我國(guó)全新研制的一型大推力、高可靠、無(wú)毒無(wú)污染新一代運(yùn)載火箭，也是我國(guó)起飛規(guī)模最大、運(yùn)載能力最大、技術(shù)跨度最大的一型運(yùn)載火箭，總體技術(shù)達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平。據(jù)新華網(wǎng)報(bào)道，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭實(shí)現(xiàn)了我國(guó)液體運(yùn)載火箭直徑由3.35米至5米的跨越，采用5米直徑芯級(jí)，捆綁4枚3.35米直徑助推器，全長(zhǎng)約57米，起飛重量約870噸;具備近地軌道（LEO）25噸級(jí)、地球同步轉(zhuǎn)移軌道（GTO）14噸級(jí)的運(yùn)載能力，比現(xiàn)役火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力提升了2.5倍以上。

美國(guó)德?tīng)査﨤=lV型運(yùn)載火箭發(fā)射

在航天飛行中，運(yùn)載火箭是現(xiàn)在乃至將來(lái)很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)能夠?qū)⒂行лd荷送至外太空中的最有效的工具。長(zhǎng)征五號(hào)是我國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭，那么什么樣的火箭才能稱之為大火箭呢？

大型運(yùn)載火箭基本內(nèi)涵

基本分類 按照運(yùn)載能力劃分，運(yùn)載火箭分為小型、中型、大型和重型四類。由于各國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展階段存在差異，即使同一國(guó)家的不同歷史階段，對(duì)運(yùn)載火箭的規(guī)模定義也不盡相同。

在我國(guó)，一般將近地軌道運(yùn)載能力2噸及以下的火箭稱為小型運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力2～20噸的火箭稱為中型運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力20～50噸的火箭稱為大型運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力50噸級(jí)及以上的火箭稱為重型運(yùn)載火箭。

根據(jù)美國(guó)航空航天局的分類，運(yùn)載火箭共分為5個(gè)級(jí)別，分別是探空火箭、輕型運(yùn)載火箭、中型運(yùn)載火箭、重型運(yùn)載火箭、超重型運(yùn)載火箭。探空火箭一般是指用于大氣環(huán)境研究，通常僅具有進(jìn)入地球亞軌道飛行的能力，軌道高度距地面35～300千米;小型運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力為2噸;中型運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力在2～20噸;重型運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力為20～50噸;超重型運(yùn)載火箭近地軌道運(yùn)載能力大于50噸。

中國(guó)和美國(guó)等西方國(guó)家對(duì)于運(yùn)載火箭的基本分類是一致的，只是名稱叫法略有差異。

技術(shù)難點(diǎn) 運(yùn)載火箭可以說(shuō)是當(dāng)今世界尖端的工業(yè)產(chǎn)品之一，而大型運(yùn)載火箭則更是尖端中的尖端。大型運(yùn)載火箭的研制、開發(fā)和制造涉及學(xué)科之廣，涉及要求之高都是前所未有的，在材料、設(shè)計(jì)、工藝、研發(fā)、制造等方面都有著非常高的水準(zhǔn)，可謂是當(dāng)今工業(yè)界之冠，其中涉及的大尺寸箱體焊接、大尺寸整流罩可靠解鎖、大集中力載荷擴(kuò)散問(wèn)題、高參數(shù)發(fā)動(dòng)機(jī)底殼段防熱、管路線路、推進(jìn)裝置、飛行控制裝置、通信裝置都是有著極高的要求。所以說(shuō)，大型運(yùn)載火箭的研制對(duì)國(guó)家工業(yè)體系的要求非常嚴(yán)格，大型運(yùn)載火箭也從一個(gè)側(cè)面反映了一個(gè)國(guó)家的工業(yè)實(shí)力和綜合國(guó)力。其中有2個(gè)難點(diǎn)尤為突出。

難點(diǎn)一是大型運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)技術(shù)。大型運(yùn)載火箭的總體設(shè)計(jì)是一個(gè)多學(xué)科多領(lǐng)域的綜合應(yīng)用，它需要以基礎(chǔ)科學(xué)和技術(shù)科學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用系統(tǒng)工程、仿真建模等現(xiàn)代設(shè)計(jì)理論和方法，綜合航天領(lǐng)域各學(xué)科的專業(yè)技術(shù)，協(xié)調(diào)各分系統(tǒng)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)，已完成最終設(shè)計(jì)。在現(xiàn)代先進(jìn)科學(xué)技術(shù)和工業(yè)的基礎(chǔ)上，總體設(shè)計(jì)技術(shù)已發(fā)展成為一門新興的工程技術(shù)，它是航天工程的重要組成部分?；鸺咚亠w行過(guò)程中，其結(jié)構(gòu)及各種設(shè)備的工作環(huán)境惡劣，劇烈的震動(dòng)、沖擊、噪聲、過(guò)載和加熱，對(duì)大型運(yùn)載火箭的結(jié)構(gòu)和電子元器件提出了苛刻的要求，這需要以空氣動(dòng)力學(xué)、固體力學(xué)、材料學(xué)、電子技術(shù)等為基礎(chǔ)，經(jīng)過(guò)較長(zhǎng)周期的研制和試驗(yàn)才能攻克這些技術(shù)難題。除了這些技術(shù)難點(diǎn)外，還要考慮經(jīng)濟(jì)性、通用性、適應(yīng)性、可靠性等等。而相應(yīng)的運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)師更是需要對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)和相關(guān)技術(shù)工藝有足夠的掌握，其培養(yǎng)周期更長(zhǎng)。這些無(wú)形中從各個(gè)方面增加了大型運(yùn)載火箭總體設(shè)計(jì)的復(fù)雜性和難度。

難點(diǎn)二是大型運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是航天發(fā)射的主流，構(gòu)造上比固體發(fā)動(dòng)機(jī)復(fù)雜得多，主要由點(diǎn)火裝置，燃燒室，噴管，燃料輸送裝置組成。目前，國(guó)內(nèi)外大型運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)更是清一色的大推力液體發(fā)動(dòng)機(jī)，主要是因?yàn)橐后w火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖高，推力范圍大，工作時(shí)間較長(zhǎng)，能反復(fù)起動(dòng)，能控制推力大小等優(yōu)點(diǎn)。大推力的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用偏二甲肼/四氧化二氮、液氧煤油和液氫液氧三種燃料體系。比沖是衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)之一，其數(shù)值越大表示燃料的效能越高，偏二甲肼/四氧化二氮組合的比沖為348秒，液氧煤油組合的比沖為347秒，液氫液氧組合的比沖達(dá)到了457秒，從中我們可以看到液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢(shì)。

低溫發(fā)動(dòng)機(jī)火箭使用低溫液體為推進(jìn)劑，一般為液氫和液氧。這類火箭燃料質(zhì)量最輕，比沖強(qiáng)勁、容易調(diào)節(jié)，而且較為環(huán)保，目前只有美國(guó)、俄羅斯、中國(guó)、法國(guó)和日本擁有該技術(shù)。但是，氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制的技術(shù)難度較大，西方國(guó)家憑借技術(shù)優(yōu)勢(shì)，在這方面具有領(lǐng)先地位。美、俄、日、歐都有各自獨(dú)立的大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)型號(hào)，其最大推力都在100噸以上。美國(guó)的“土星”-5號(hào)火箭的F-1發(fā)動(dòng)機(jī)，進(jìn)行了高達(dá)20萬(wàn)秒的地面試車臺(tái)燃燒測(cè)試，蘇聯(lián)能源號(hào)火箭的RD-170發(fā)動(dòng)機(jī)，也進(jìn)行了10多萬(wàn)秒的地面試車臺(tái)燃燒測(cè)試，在反復(fù)的燃燒測(cè)試中不斷優(yōu)化發(fā)動(dòng)機(jī)各項(xiàng)參數(shù)，緩解不穩(wěn)定燃燒現(xiàn)象。

俄羅斯“質(zhì)子”-M運(yùn)載火箭

美國(guó)現(xiàn)役大型運(yùn)載火箭

德?tīng)査蘒V型重型火箭是美國(guó)現(xiàn)役并已執(zhí)行任務(wù)的最大型運(yùn)載火箭，也是德?tīng)査易逯械淖畲笮吞?hào)，它由美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟研發(fā)和制造。值得一提的是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟成立于2006年，由洛克希德·馬丁公司和波音公司合并發(fā)射業(yè)務(wù)，各自出資一半創(chuàng)立，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟幾乎發(fā)射了所有的美國(guó)軍事衛(wèi)星。

德?tīng)査蘒V型重型運(yùn)載火箭由2級(jí)構(gòu)成，高72米，直徑5米，寬度15米，起飛重量733噸，低地軌道運(yùn)載能力28噸，地球同步軌道運(yùn)載能力14噸。德?tīng)査蘒V型重型運(yùn)載火箭2枚助推器和芯第一級(jí)火箭均采用公共核心助推器，發(fā)動(dòng)機(jī)為RS-68A發(fā)動(dòng)機(jī)，其高度為40.8米，直徑均為5.1米，單臺(tái)助推器推力為6280千牛，助推器能夠燃燒242秒。第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)采用RL10-B-2型發(fā)動(dòng)機(jī)，第二級(jí)高13.7米，直徑5.1米，推力為110千牛，燃燒時(shí)間1125秒。第一級(jí)和第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)均為液氧液氫。

截至目前共進(jìn)行了9次發(fā)射活動(dòng)，其中8次成功，1次失敗。德?tīng)査蘒V運(yùn)載火箭發(fā)射地點(diǎn)一處位于卡納維爾角LC-37B發(fā)射臺(tái)，另一處位于范登堡空軍基地SLC-6發(fā)射臺(tái)。德?tīng)査蘒V型重型運(yùn)載火箭每個(gè)通用助推核心的底端部分都有一臺(tái)RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)，中間部分包括燃料箱，裝有液態(tài)氫和液態(tài)氧。

美國(guó)土星V號(hào)已經(jīng)退役，但是不得不提的是土星V號(hào)截至目前仍是人類歷史上使用過(guò)的自重最大的運(yùn)載火箭。該火箭高達(dá)110.6米，起飛重量3038噸，總推力達(dá)3400噸左右，月球軌道運(yùn)載能力45噸，近地軌道運(yùn)載能力118噸。

俄羅斯現(xiàn)役大型運(yùn)載火箭

“質(zhì)子”-M重型運(yùn)載火箭是俄羅斯現(xiàn)役的大型運(yùn)載火箭，在蘇聯(lián)質(zhì)子運(yùn)載火箭的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的，“質(zhì)子”-M是質(zhì)子家族的最新型號(hào)，由赫魯尼切夫國(guó)家航天科研生產(chǎn)中心研制，于2011年首飛。

“質(zhì)子”-M高58米，直徑7.4米，起飛重量705噸，其低軌運(yùn)載能力為23噸，地球同步軌道運(yùn)載能力為6.5噸，其發(fā)射地點(diǎn)位于哈沙克斯坦拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)?！百|(zhì)子”-M運(yùn)載火箭為3級(jí)運(yùn)載火箭，第一級(jí)型號(hào)為8S810K，采用6臺(tái)RD-275M發(fā)動(dòng)機(jī)，推力10532千牛，高21.1米，直徑7.4米，燃燒時(shí)間108秒;第二級(jí)火箭型號(hào)8S811K采用4臺(tái)RD-0210發(fā)動(dòng)機(jī)，推力2399千牛，高17米，直徑4.1米，燃燒時(shí)間206秒;第三級(jí)火箭型號(hào)8S812，采用1臺(tái)RD-0212發(fā)動(dòng)機(jī)，高4.1米，直徑4.1米，推力613.8千牛，燃燒時(shí)間238秒;第四級(jí)采用1臺(tái)S5.98M或者RD-58M發(fā)動(dòng)機(jī)。

未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)

首先，不斷加大新一代大型運(yùn)載火箭的研發(fā)力度。以美國(guó)為代表的航天大國(guó)不斷加大新一代大型運(yùn)載火箭的研發(fā)力度。美國(guó)聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司2015年推出新一代火箭“火神”，按照計(jì)劃，“火神”火箭將在2019年最終取代該公司現(xiàn)有的宇宙神V型火箭和德?tīng)査蘒V型重型火箭，后兩者是當(dāng)前美國(guó)軍方航天發(fā)射采用的主要火箭。2014年，歐空局決定研發(fā)新一代的“阿麗亞娜”-6重型運(yùn)載火箭，以替代現(xiàn)有的“阿麗亞娜”-5型運(yùn)載火箭。

其次，民間企業(yè)參與深度不斷加大。以美國(guó)太空探索技術(shù)公司（SpaceX）為代表的私營(yíng)企業(yè)，開始涉足航天產(chǎn)業(yè)，并取得不俗的成績(jī)。SpaceX正在抓緊研發(fā)新型重型獵鷹運(yùn)載火箭（Falcon Heavy），藍(lán)色起源公司也在研制新型重型運(yùn)載火箭New Glenn，預(yù)計(jì)將在2020年前完成收費(fèi)測(cè)試。

最后，不斷開發(fā)利用顛覆性技術(shù)。SpaceX公司已成功對(duì)獵鷹9號(hào)火箭進(jìn)行了回收作業(yè)，循環(huán)利用獵鷹9號(hào)回收的火箭將降低當(dāng)前獵鷹9號(hào)火箭成本的30%，甚至更多，未來(lái)重型獵鷹也將回收再利用，進(jìn)而迅速降低成本。聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟的“火神”重型運(yùn)載火箭其最大特色是第一級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)將能夠重復(fù)使用，將來(lái)還會(huì)采用全新設(shè)計(jì)的第二級(jí)以發(fā)射更大載荷，從而降低發(fā)射成本，應(yīng)對(duì)航天發(fā)射競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手的挑戰(zhàn)。

責(zé)任編輯：劉靖鑫