張 智，容 易，秦 曈，孫冀偉

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

·高端論壇·

重型運載火箭總體技術(shù)研究

張 智1，容 易2?，秦 曈2，孫冀偉1

（1.中國運載火箭技術(shù)研究院，北京100076；2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076）

重型運載火箭是一個國家進入空間能力的重要標(biāo)志，也是國家綜合實力的重要體現(xiàn)。結(jié)合世界上曾經(jīng)研制過的重型運載火箭特點，對火箭的總體方案和總體技術(shù)進行研究。在總體方案中，首先分析了重型運載火箭的需求，然后根據(jù)需求選擇重型運載火箭的構(gòu)型和動力組成。在總體技術(shù)中，通過設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)和試驗技術(shù)三個方向，研究了與重型運載火箭密切相關(guān)的POGO抑制技術(shù)、動特性獲取技術(shù)、制造材料的選擇、關(guān)鍵部件的制造技術(shù)以及動力系統(tǒng)試驗和飛行驗證等試驗技術(shù)，并給出了適合我國國情的重型運載火箭發(fā)展路徑。

重型運載火箭；總體方案；總體技術(shù)；POGO；制造技術(shù)；試驗技術(shù)

1 引言

運載火箭是一種航天運輸工具，它負責(zé)把衛(wèi)星、載人飛船、空間站、空間探測器等有效載荷送入預(yù)定軌道。運載火箭的分類方法有多種，如按級數(shù)分為單級和多級火箭、按推進劑類型分為固體和液體火箭等。還有一種是按照運載火箭的運載能力大小進行分類，分為小型、中型、大型和重型（超重型）運載火箭。目前，這種分類方法尚無統(tǒng)一的量化標(biāo)準，本文中將起飛重量大于2000 t、近地軌道運載能力在100 t級的運載火箭及其衍生構(gòu)型均稱為重型運載火箭［1］。

世界上曾經(jīng)飛行過的重型運載火箭包括美國的土星V，蘇聯(lián)的N?1、能源號運載火箭，正在研制的有美國的SLS（Space Launch System）運載火箭，這些運載火箭主要應(yīng)用于大規(guī)模深空探索任務(wù)或近地軌道大型有效載荷的運輸任務(wù)。

重型運載火箭屬國之重器，能夠體現(xiàn)一個國家的綜合實力。它的研制能夠推動科學(xué)技術(shù)進步、帶動基礎(chǔ)能力提升、培養(yǎng)科技人才隊伍。然而，研制重型運載火箭并建立與之配套的設(shè)備、設(shè)施，需要大量的人力、物力和財力的支撐，為了避免產(chǎn)生方向性錯誤以保證工程實施的順利進行，先期開展方案論證和技術(shù)研究，是必不可少的程序，也是一種負責(zé)任的態(tài)度。重型運載火箭的總體方案論證及技術(shù)研究就是這個階段的重點內(nèi)容［2?3］。

2 總體方案研究

2.1 需求分析

土星V運載火箭的需求來自于阿波羅登月計劃，阿波羅登月計劃則是出于美國與蘇聯(lián)的太空競賽。可以說對土星V的最大需求是“政治”需求，目的只有一個，就是在競賽中取得勝利。阿波羅計劃成功了，在確立了美國太空的領(lǐng)導(dǎo)地位的同時，也極大地帶動了美國科學(xué)技術(shù)的發(fā)展。后來，隨著冷戰(zhàn)態(tài)勢趨緩，再加上沒有更大的太空探索計劃，土星V火箭終止了生產(chǎn)。在同一時期，蘇聯(lián)研制的N?1火箭也是同一目的，但卻以4次失敗而告終。

之后美國的太空開發(fā)重點轉(zhuǎn)向建造航天飛機，其目的是使美國實現(xiàn)高可靠低成本的進入太空，并將其作為向太空運送國防、科研、應(yīng)用、民用和商用有效載荷的主要手段［4?5］。從結(jié)果來看，航天飛機并未達到預(yù)定的高可靠和低成本的目標(biāo)，試圖用一種運輸系統(tǒng)滿足所有需求的做法被后人詬病。但無論如何，航天飛機在技術(shù)上都是個奇跡，它使美國在較長時間內(nèi)保持了太空優(yōu)勢。從需求角度看，航天飛機是政治、軍事、應(yīng)用、經(jīng)濟需求共同作用的產(chǎn)物。蘇聯(lián)開發(fā)的能源號火箭和暴風(fēng)雪號航天飛機，與美國航天飛機的概念基本相同。

目前，美國正在研發(fā)SLS重型火箭。它的目標(biāo)是為近地以遠的深空探測服務(wù)，如地月空間、小行星，甚至是載人的火星探測［6］。采用遞進式的發(fā)展思路不斷提高技術(shù)的先進性，降低對預(yù)算的需求。低成本的近地有效載荷發(fā)射則交給了商用發(fā)射服務(wù)。俄羅斯也在持續(xù)地研究建造重型火箭的方案，但由于國內(nèi)經(jīng)濟發(fā)展的滯后，一直未見實施計劃。

從國外重型運載火箭發(fā)展歷程來看，對重型運載火箭的需求首先是政治需求，體現(xiàn)綜合國力，振奮民族精神，樹立民族信心，增強凝聚力。其次是科學(xué)技術(shù)發(fā)展需求，包括軍事、民用等諸多方面。

國內(nèi)對重型火箭的需求研究由來已久。目前，需求主要集中在三個方面：一是戰(zhàn)略需求，即國家安全需要、航天發(fā)展需要和航天強國建設(shè)需要；二是應(yīng)用需求，即載人月球探測、深空探測、大型軌道設(shè)施等；三是技術(shù)發(fā)展需求，即提升火箭動力、結(jié)構(gòu)等設(shè)計、制造水平，促進我國從航天大國向航天強國邁進。

2.2 構(gòu)型分析

運載能力的需求決定了重型運載火箭的規(guī)模。在已知的需求中以載人月球探測任務(wù)對重型火箭的運載能力需求最大，地月轉(zhuǎn)移軌道（LTO）運載能力大于50 t。

重型運載火箭規(guī)模的選取應(yīng)首先考慮需求因素。火箭構(gòu)型選取涉及到推進劑類型、級數(shù)、直徑等諸多關(guān)鍵要素的確定。選取中需要考慮技術(shù)繼承性、先進性、帶動性，要考慮技術(shù)基礎(chǔ)和工業(yè)能力基礎(chǔ)，還要考慮經(jīng)濟性等約束條件。

2010年至2011年期間，采用DOE（Design of Experiments）方法，對重型運載火箭的構(gòu)型選擇進行了深入的研究。該方法是將決定構(gòu)型的技術(shù)要素視為變量進行組合確定出滿足運載能力要求的多種構(gòu)型方案，再根據(jù)事先確定篩選原則進行構(gòu)型選擇。選擇的要素變量包括火箭級數(shù)（助推器稱為半級）、各級動力類型、箭體直徑、發(fā)動機類型、推進劑加注量等，火箭級數(shù)考慮了一級半、二級、三級、二級半、三級半，發(fā)動機類型考慮了固體動力、液氧／煤油動力、液氫／液氧動力、乃至液氧甲烷動力。在分析過程中，將從海南發(fā)射場發(fā)射的落區(qū)限制因素也考慮其中。對各種要素組合出的構(gòu)型（圖2），按照以下原則進行了初步篩選：

1）降低研制和使用的復(fù)雜性，剔除由三種或三種以上動力類型組成構(gòu)型；

2）末級采用高性能動力，即采用液氫／液氧動力，剔除三級采用其它動力類型的構(gòu)型；

3）當(dāng)芯一級使用固體動力時，助推器不使用液體動力。

以上的工作結(jié)果表明：以液氧／煤油發(fā)動機為助推器、芯一級動力，以液氫／液氧發(fā)動機為二級、三級動力的三級半構(gòu)型，以及以固體發(fā)動機為助推器動力、以液氫／液氧發(fā)動機為一級、二級、三級動力的三級半構(gòu)型是比較合適的構(gòu)型。

2012年至2015年期間，伴隨著對載人月球探測、火星取樣返回任務(wù)的論證深入，對構(gòu)型問題又進行了深入的優(yōu)化研究。這期間的研究工作除細化了重型運載火箭的關(guān)鍵技術(shù)外，重點研究了系列化問題。研究結(jié)果表明，液體助推器構(gòu)型，更容易通過模塊組合實現(xiàn)多任務(wù)、多模式的系列化構(gòu)型。

2.3 動力選型

火箭總體綜合載人月球探測、火星取樣返回的需求確定了火箭的規(guī)模和系列構(gòu)型。在此基礎(chǔ)上確定了火箭各子級的總推力需求，并進行了優(yōu)化。在此后的優(yōu)化論證過程中，火箭總體對動力的研究主要集中在兩個方面，一方面是助推器用固體動力或液體動力的差異性分析，另一方面是液體動力單臺發(fā)動機推力大小的優(yōu)化研究。

固體動力的優(yōu)點是推進劑密度大、結(jié)構(gòu)簡單，通過多段組合容易實現(xiàn)大推力，且使用操作簡單。最大的缺點是比沖較低，因此一般配合液氫／液氧動力使用［7］。液體動力的優(yōu)點是比沖高，在構(gòu)型設(shè)計上比較靈活，缺點是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，使用操作也比較復(fù)雜。

固體助推器一般采用耗盡關(guān)機的方式，不容易實現(xiàn)同步關(guān)機，對火箭飛行的干擾較大，需要芯級火箭有較強的姿態(tài)控制能力，而在這方面液體發(fā)動機的優(yōu)勢明顯。另外，液體發(fā)動機容易實現(xiàn)飛行過程中的推力調(diào)節(jié)，能夠降低飛行載荷，提高運載火箭性能。固體發(fā)動機也可通過裝藥設(shè)計實現(xiàn)變推力，但不如液體發(fā)動機可以按照用戶使用需求實時調(diào)節(jié)。

采用液體助推器的構(gòu)型，由于芯一級采用了推力較大的液氧／煤油發(fā)動機，可以簡單地通過取消兩枚助推器、四枚助推器，形成重型運載火箭的系列化構(gòu)型，以適應(yīng)不同任務(wù)的需求。采用固體助推器的構(gòu)型，由于芯一級采用推力較小的液氫／液氧發(fā)動機，難以演化出系列化構(gòu)型。

固體發(fā)動機飛行過程中產(chǎn)生的故障，往往是沒有預(yù)兆，或者從故障發(fā)生到產(chǎn)生災(zāi)難性后果時間間隔較短，難以檢測。

該項分析還包括了研制難度、技術(shù)帶動性、研制保障需求、研制及使用成本等方面的內(nèi)容，最終的結(jié)論是各有優(yōu)劣。

關(guān)于發(fā)動機推力大小的優(yōu)化研究主要在液氫／液氧發(fā)動機上［8］。研究表明二子級發(fā)動機總推力需求約為400 t，三級發(fā)動機總推力需求約100 t。如果將單臺液氫／液氧發(fā)動機設(shè)計成100 t，則三級使用1臺，二級使用4臺對重型運載火箭來講是合理的選擇。然而，若一種發(fā)動機只有一個型號使用，特別是像重型運載火箭這樣發(fā)射次數(shù)不可能太多的型號使用，將帶來費用高昂、可靠性子樣少等諸多困難。因此，必須考慮新研發(fā)動機的未來應(yīng)用問題。從固體助推器與液氫／液氧芯級構(gòu)型來看，需要較大地面推力的液氫／液氧發(fā)動機，重型火箭提出研制的真空推力200 t級發(fā)動機可以為我國未來發(fā)展此構(gòu)型的火箭拓展應(yīng)用空間。而單臺真空推力100 t級發(fā)動機用于芯一級推力偏小，用于其它火箭末級又推力偏大，因而選擇單臺25 t推力的發(fā)動機組合使用能夠滿足重型火箭末級的需求，單臺發(fā)動機又能滿足其它型號末級使用的要求。雖然從重型火箭構(gòu)型上看使用了兩種型號的液氫／液氧發(fā)動機，增加了型號的研制復(fù)雜度，但從全局來看，是一種優(yōu)化的選擇。

3 總體技術(shù)研究

重型運載火箭總體技術(shù)包括設(shè)計技術(shù)、制造技術(shù)、試驗技術(shù)和發(fā)射支持技術(shù)等多個方面。本文僅描述對重型運載火箭總體技術(shù)方案有較大影響的技術(shù)內(nèi)容。

3.1 設(shè)計技術(shù)

3.1.1 POGO抑制技術(shù)

液體火箭的縱向耦合振動（POGO）是指液體火箭的結(jié)構(gòu)縱向振動與推進系統(tǒng)的液體脈動互相作用而產(chǎn)生的一種自激振動，如圖3所示。

關(guān)于POGO問題，國內(nèi)外都進行過大量研究，包括機理、穩(wěn)定性分析、試驗和抑制等。POGO現(xiàn)象在20世紀60年代初雙子星計劃中被發(fā)現(xiàn)，NASA首次認定POGO對載人飛行器以及航天員是一種威脅［9］。NASA在雙子星計劃、阿波羅計劃中進行了大量的分析工作，1970年形成了關(guān)于POGO設(shè)計準則、建模、評估的標(biāo)準［11］。該文概述了當(dāng)時的技術(shù)現(xiàn)狀，提出了設(shè)計準則，推薦了數(shù)學(xué)建模、地面試驗、穩(wěn)定分析、修改完善和飛行評估方法。在泵入口處安裝蓄壓器被建議作為降低管路共振頻率的最有效方式，但前提是蓄壓器頻率低于結(jié)構(gòu)一階模態(tài)。隨著火箭規(guī)模的增加，火箭結(jié)構(gòu)一階縱向頻率越來越低，POGO抑制問題愈加嚴峻。

除了全箭結(jié)構(gòu)縱向模態(tài)外，火箭的橫向模態(tài)和局部模態(tài)也能引起POGO現(xiàn)象，如土星V二級中心發(fā)動機機架與液氧箱底的振動耦合。各種模態(tài)頻率交織在一起，用頻率窗口的設(shè)計方法已經(jīng)很難找到合適的空間。繼續(xù)降低管路中的液體頻率，需要使用尺寸龐大的蓄壓器，結(jié)構(gòu)上幾乎難以實現(xiàn)。

無論是采用哪種形式的蓄壓器，都屬于被動控制措施，其目的將管路液體頻率與結(jié)構(gòu)縱向頻率、橫向頻率或者是局部結(jié)構(gòu)頻率錯開。在眾多頻率交織在一起時，同時錯開很多頻率幾乎不可能，因此提出了主動控制方法。主動控制方法根據(jù)飛行中得到的觀測量，實時的改變控制量，因而對模型的精確性要求不高，而且針對出現(xiàn)的各種情況可以進行地面的模擬試驗。

無論是在國外大型火箭上廣泛應(yīng)用的注氣式蓄壓器，還是航天飛機計劃中研究過的主動式蓄壓器，我國的運載火箭都未曾使用過。這些年來一些院校和科研單位對此進行了廣泛研究，目前基本停留在理論層面，后續(xù)應(yīng)加強工程實現(xiàn)方面的研究。

3.1.2 動特性獲取技術(shù)

運載火箭結(jié)構(gòu)動力學(xué)特性（簡稱動特性）是火箭姿控系統(tǒng)穩(wěn)定性分析、結(jié)構(gòu)動載荷計算、星箭載荷耦合分析以及POGO穩(wěn)定性分析的基礎(chǔ)和依據(jù)。

到目前為止，我國運載火箭的動特性都是通過在振動塔設(shè)施內(nèi)通過動特性試驗獲取。重型運載火箭的尺寸超過目前全箭振動塔的可容納箭體結(jié)構(gòu)直徑或高度，重量也超過振動塔的承載能力，若仍采用這種方法獲取重型運載火箭動特性，需新建類似的大型試驗設(shè)施。應(yīng)用傳統(tǒng)方法獲取的數(shù)據(jù)比較可靠，但設(shè)施建設(shè)費用高，且試驗周期長。國外的一些運載火箭研制，如歐洲阿里安火箭、蘇聯(lián)能源號火箭等已應(yīng)用了另外一種動特性獲取技術(shù)，即：基于子結(jié)構(gòu)有限元模型組裝的全箭動特性獲取技術(shù)，來獲取全箭動力學(xué)特性。該技術(shù)通過合理的試驗技術(shù)發(fā)展、理論建模、計算分析、試驗數(shù)據(jù)及模型修正等試驗?計算一體化設(shè)計，來獲得產(chǎn)品真實飛行條件下的動力學(xué)特性。目前共有兩種途徑，一是進行組合大部段模態(tài)試驗，之后進行模型組裝或模態(tài)綜合；二是設(shè)計和制造縮比模型，通過縮比模型試驗外推實尺寸動力學(xué)模型。前者研究以法國和蘇聯(lián)為代表，后者研究以美國為代表，但美國雖然在大力神、土星V等火箭中研究了大量縮比模型，最終仍進行了真實尺寸動特性試驗。

從目前研究的情況看，采用縮比模型的方法技術(shù)上是可行的，關(guān)鍵是縮比模型的正確性確認風(fēng)險較大。采用部段模態(tài)組合的方法也是可行的，其關(guān)鍵是部段連接處的剛度數(shù)據(jù)獲取，這種方法同樣需要開展全尺寸子級的動特性試驗，但規(guī)模上要比全箭試驗小得多，容易實現(xiàn)。

3.2 制造技術(shù)

3.2.1 輕合金材料技術(shù)

隨著鋁合金材料的不斷進步，變形鋁合金材料已從第一、第二代發(fā)展到第四代，其顯著特點是強度高、耐腐蝕性強。第四代超強、高韌鋁合金材料具有高比強度和高比模量的特點，能夠更好的滿足結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化設(shè)計需求。作為我國下一代運載火箭的代表型號，應(yīng)用新材料，提高火箭性能，帶動材料應(yīng)用發(fā)展是重型火箭的責(zé)任和義務(wù)。

重型運載火箭末級貯箱擬采用在歐美國家航天運載器貯箱結(jié)構(gòu)已經(jīng)實際應(yīng)用或有明確應(yīng)用意向的高性能鋁鋰合金，包括2195、1460及2050等。在高強鋁合金材料方面，7050鋁合金具有較高的強度、較好的斷裂韌性、較滿意的抗應(yīng)力腐蝕性能和良好的淬透性，其厚板已大量應(yīng)用于波音777、F／A?18以及F?22。目前我國已具備7050厚板的批量供應(yīng)能力，在CZ?7運載火箭結(jié)構(gòu)件上采用7050厚板替代部分鍛件作為承力支座，經(jīng)靜力試驗考核滿足使用要求。7055鋁合金比7050鋁合金具有更高的強度，同時具有較強的斷裂韌性。7085合金是新一代超高強鋁合金厚板的代表，也是厚截面鍛件的理想選材。這些材料在運載火箭或武器系統(tǒng)上已得到初步的應(yīng)用，未來也將支撐重型運載火箭的研制。

3.2.2 大直徑結(jié)構(gòu)制造技術(shù)

大型結(jié)構(gòu)制造可行性，直接影響到總體技術(shù)方案的可行性。工藝技術(shù)的穩(wěn)定性直接關(guān)系到結(jié)構(gòu)設(shè)計相關(guān)系數(shù)的選取，進而影響到技術(shù)方案中技術(shù)指標(biāo)的實現(xiàn)。盡早地開展制造技術(shù)的研究，對重型運載火箭的工程實施意義重大。在結(jié)構(gòu)制造方面，直接與“大”相關(guān)的技術(shù)包括：大型原材料的制備、大直徑部組件的制造（含工藝、專用裝備研發(fā)等）。

貯箱“Y”型環(huán)的整體制造，需要更大噸位的鑄錠。鑄錠越大，其內(nèi)部的組織越差。同時，還需建造大型的熱處理設(shè)備和脹形設(shè)備，使貯箱“Y”型環(huán)的整體制造技術(shù)取得全面突破。

典型大直徑結(jié)構(gòu)是芯級殼段和貯箱。對裝配工藝要求最高的是貯箱。按照貯箱制造技術(shù)的未來發(fā)展趨勢，貯箱的絕大部分焊接將采用攪拌摩擦焊。2219鋁合金材料的攪拌摩擦焊技術(shù)在新一代火箭的研制中已經(jīng)突破，采用的裝配方式是臥式焊接裝配。研究表明，對于重型運載火箭這種直徑的貯箱，不適宜采用臥式焊接裝配的方法，而需采用更為先進的立式焊接裝配方法。立式裝配方式在國內(nèi)從未采用過，從國外資料看，其技術(shù)難度很大，需要在裝備的設(shè)計、安裝、調(diào)試上進行技術(shù)攻關(guān)，確認這項技術(shù)的可行性。

3.3 試驗技術(shù)

3.3.1 動力系統(tǒng)試驗

動力系統(tǒng)試驗是運載火箭研制必不可少的環(huán)節(jié)之一，是考核全箭或火箭子級方案正確性、工作協(xié)調(diào)性和可靠性最為重要的試驗，也是在發(fā)射前檢驗火箭在發(fā)射場各項工作的關(guān)鍵環(huán)節(jié)，是最接近飛行狀態(tài)的試驗。從美國（圖4）、歐空局、日本、俄羅斯等航天火箭的研制規(guī)律可以看出，動力系統(tǒng)試驗是運載火箭研制過程必不可少的環(huán)節(jié)。

動力系統(tǒng)試驗必須有相應(yīng)的試驗設(shè)施支撐。試驗設(shè)施的建設(shè)方式有多種多樣，沒有定式。各個國家依據(jù)研制周期、研制經(jīng)費、原有設(shè)施技術(shù)狀況、科研機構(gòu)布局特點、火箭運輸方式、氣象和環(huán)境特點等因素綜合考慮，有的建立專門的試驗臺，有的利用原有試驗臺改造，也有利用原有發(fā)射臺進行試驗。美國、俄羅斯運載火箭發(fā)展早期都建立了大噸位的動力系統(tǒng)試驗臺，這些試驗臺一般還可兼顧發(fā)動機研制試驗，如美國斯坦尼斯航天中心的B試驗臺、俄羅斯的101和102試驗臺。美國德爾它4火箭的通用芯級動力系統(tǒng)試驗即在承擔(dān)過土星Ⅴ和航天飛機動力系統(tǒng)試驗的B?2試驗臺上進行。阿里安5一子級是利用阿里安5發(fā)射臺進行動力系統(tǒng)試驗，而沒有專門建造動力系統(tǒng)試驗臺；H?ⅡA火箭二子級利用了原H?Ⅰ二子級動力系統(tǒng)試驗設(shè)施。

由于大直徑貯箱的運輸問題，我國原有的試驗設(shè)施無法改造利用，動力系統(tǒng)試驗臺需重新選址建設(shè)。為了能夠充分利用現(xiàn)有或?qū)⒁獮橹匦突鸺龑ｉT建設(shè)的配套設(shè)施（如推進劑生產(chǎn)設(shè)施），最佳的建設(shè)地點是發(fā)射場。

對于動力系統(tǒng)試驗工位與火箭發(fā)射工位共用的初步研究表明，兩種設(shè)施表象上有共同之處，但某些具體指標(biāo)要求差距較大?；鸺l(fā)射時導(dǎo)流槽承受發(fā)動機尾流沖刷時間一般約10 s，而動力系統(tǒng)試驗時往往需要上百秒?；鸺l(fā)射時火箭發(fā)射臺及地基承受的是壓力，而動力系統(tǒng)試驗時需要承受拉力。如果兩者合一設(shè)計，必然造成設(shè)計難度和施工難度加大，同時也會使研制周期加長。在同一區(qū)域分開建設(shè)也能夠共用部分設(shè)施，如推進劑生產(chǎn)，產(chǎn)品測試等。在動力系統(tǒng)試驗完成后，也可以將其改造成發(fā)射工位，供短時間內(nèi)發(fā)射兩發(fā)重型火箭使用。

3.3.2 飛行驗證試驗

土星系列運載火箭專為阿波羅載人登月計劃而研制，先后研制的型號有土星I、土星IB和土星V等3種火箭。土星I火箭（研制型），是執(zhí)行阿波羅計劃的第一個型號，用于阿波羅計劃的早期地球軌道飛行試驗和發(fā)射飛馬座宇宙塵探測衛(wèi)星。土星1B（改進型）用于不載人或載人阿波羅飛船地球軌道飛行試驗、土星V和飛船程序及部件或者系統(tǒng)的試驗、發(fā)射天空實驗室。美國最終用于正式執(zhí)行阿波羅計劃為土星V火箭，其先后研制的土星I、土星IB兩種中間構(gòu)型的火箭，并使用這兩型火箭對土星V火箭的關(guān)鍵系統(tǒng)進行了大量飛行考核，為保證土星V火箭首飛成功奠定了基礎(chǔ)。從某種層面上，美國研制的土星I和土星IB，以及利用這兩型火箭開展的飛行試驗是更高層次上的飛行驗證試驗。

從世界運載火箭研制過程中進行的大型試驗情況來看，戰(zhàn)神I在首飛前進行了戰(zhàn)神I?X飛行試驗，其是一次真實意義的“試驗”，為亞軌道飛行，目的是獲得飛行力學(xué)環(huán)境參數(shù)、考核滾動控制、驗證分離系統(tǒng)并獲得分離環(huán)境、驗證一子級回收系統(tǒng)等方案。

從目前的大型試驗發(fā)展趨勢來看，從傳統(tǒng)模式的動力系統(tǒng)試驗到目前多系統(tǒng)參與的動力系統(tǒng)試驗，其試驗復(fù)雜程度大大增加，同時在試驗過程中更多的技術(shù)方案得到了更為充分的考核，系統(tǒng)間的接口協(xié)調(diào)性也得到了驗證。從這樣的發(fā)展趨勢來看，進行以多級、全系統(tǒng)參與的飛行試驗也是未來大型試驗發(fā)展的必然趨勢。

對于系列化的重型運載火箭構(gòu)型，可以采用先進行串聯(lián)構(gòu)型的飛行驗證，再進行最大構(gòu)型（或兩助推器構(gòu)型）的飛行驗證。但用飛行試驗替代動力系統(tǒng)試驗的設(shè)想所產(chǎn)生的風(fēng)險和代價難以接受。

3.4 測試發(fā)射模式

測試發(fā)射模式對測發(fā)流程的選擇和確定、發(fā)射場總體布局、發(fā)射場地面技術(shù)設(shè)施的功能、組成與能力起著決定性的作用。

火箭在發(fā)射場的技術(shù)準備工作主要包括產(chǎn)品組裝、測試、轉(zhuǎn)運，通過這三個項目基本上能反映火箭的技術(shù)狀態(tài)、地面設(shè)施設(shè)備和發(fā)射場總體布局的特點。目前，國內(nèi)外運載火箭在發(fā)射場的組裝、測試、轉(zhuǎn)運技術(shù)狀態(tài)可概括為：一平兩垂、三平（如圖5）和三垂三種測試發(fā)射模式。

俄羅斯重型火箭主要采用三平發(fā)射模式（水平總裝、水平測試、水平運輸），美國土星V和航天飛機采用三垂發(fā)射模式（垂直總裝、垂直測試、垂直測試）。一平兩垂（水平運輸、垂直總裝、垂直轉(zhuǎn)運）發(fā)射模式在我國的CZ?3A系列火箭、CZ?2C火箭仍然在使用。

無論是三垂還是三平發(fā)射模式，其目的都是為了能在一個環(huán)境條件較好的地方完成火箭的組裝和絕大部分測試，縮短發(fā)射區(qū)準備時間，提高發(fā)射工位的使用效率。從目前情況來看，我國重型運載火箭選擇在海南發(fā)射場發(fā)射是必然的結(jié)果，考慮到海南發(fā)射場的環(huán)境條件，在技術(shù)區(qū)完成組裝和測試的優(yōu)勢明顯。需重點討論的問題是水平組裝測試還是垂直組裝測試。

從測試狀態(tài)的真實性、測試方便等方面來看，三垂模式優(yōu)點突出，且在海南發(fā)射的CZ?5、CZ?7火箭均采用此種模式，技術(shù)繼承性較好。缺點是要建設(shè)超過百米高的垂直廠房和研制近萬噸的垂直活動平臺。三平模式的測試真實性較差需要增加發(fā)射區(qū)測試項目。三平模式雖然對廠房和運輸設(shè)備需求較低，但我國在大型火箭水平起豎技術(shù)上的基礎(chǔ)薄弱，尚需在關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)階段開展深入的研究工作。

4 結(jié)論

重型運載火箭是國家戰(zhàn)略需要，是航天發(fā)展需要，也是技術(shù)進步的需要。實現(xiàn)重型火箭的技術(shù)途徑有多種，適合我國國情和發(fā)展需要的才是最佳的選擇。重型運載火箭的研制既是挑戰(zhàn)也是機遇。先期開展一些關(guān)鍵技術(shù)的研究既有利于途徑的選擇也有利于后續(xù)工程研制，通過扎實嚴謹?shù)难芯縼斫鉀Q爭議或爭論。

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Research on Overall Technology of Heavy Launch Vehicle

ZHANG Zhi1，RONG Yi2?，QIN Tong2，SUN Jiwei1

（1.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China；2.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076，China）

Heavy launch vehicle（HLV）marks the capability of a country to access the space and also represents the comprehensive strength of a country.Based on the characteristics of the HLV de?veloped in the world，the general scheme and overall technology of HLV were studied.As to the general scheme，the demands for HLV were analyzed first，then the configuration and propulsion system of HLVswere selected based on the demands.As to the overall technology，the POGO sup?pression technology，themodal test，the materials，the key component production，the engine sys?tem testand the flight testetc.were studied from three aspects（design，manufacture and test）.Fi?nally，a development roadmap of HLV was proposed according to the national condition of China.

heavy launch vehicle；general scheme；overall technology；manufacture technology；test technology

V421

A

1674?5825（2017）01?0001?07

2016?06?02；

2017?01?04

張智，男，碩士，研究員，研究方向為運載火箭總體技術(shù)。E?mail：zlwhit＠hotmail.com

?通訊作者：容易，女，博士，研究員，研究方向為運載火箭總體技術(shù)。E?mail：rongyi781030＠126.com