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當(dāng)代運載火箭誰執(zhí)牛耳

2013-11-29 10:01土星
太空探索 2013年12期
關(guān)鍵詞:長征二號液氧助推器

□ 土星

在第64屆國際宇航大會期間召開的航天局長會議上,多國的航天局長在闡述各自的航天政策和發(fā)展計劃、呼吁國際合作和利益共贏的同時,也表示出對未來發(fā)展新型大型運載火箭的極大關(guān)注。

大力士受到青睞

從全球航天活動的總體發(fā)展來看,為了滿足日益增長的太空開發(fā)需求,人造地球衛(wèi)星、飛船和空間站、空間探測器等航天器的體積和重量越來越大,因而要求發(fā)射這些航天器的運載火箭向大推力、高可靠、低成本和少污染等方向發(fā)展,為此,世界各航天大國都在積極研制新型大推力運載火箭,并采取以下主要措施:

一是簡化設(shè)計,如減少火箭級數(shù)(級數(shù)越少越可靠)和增加火箭的直徑(可多裝燃料,以增加推力)等;二是采用共用組件或技術(shù),實現(xiàn)通用化、組合化和系列化;三是使用無毒、無污染、大比沖的推進(jìn)劑,目前,液氫/液氧或液氧/煤油是無毒、無污染、大比沖的推進(jìn)劑,但需要在低溫下工作,所以技術(shù)比較復(fù)雜。

現(xiàn)在,近地軌道運載能力達(dá)20噸級的大推力運載火箭已成為航天器發(fā)射的主力,當(dāng)前活躍在航天發(fā)射領(lǐng)域的著名大推力運載火箭有:美國的“宇宙神”5號、“德爾他”4號、“獵鷹”9號,歐洲的“阿里安”5號,俄羅斯的“質(zhì)子”號,日本的H2-A和H2-B運載火箭等。

美國洛馬公司的“宇宙神”5號、波音公司的“德爾他”4號火箭均為兩級型火箭,其共同特點是各自都使用了通用的芯級火箭,并可根據(jù)需要加配不同尺寸的整流罩和數(shù)量不一的助推器。這兩種火箭設(shè)計原則也相同:開發(fā)靈活、可批量生產(chǎn)的標(biāo)準(zhǔn)火箭組件;便于快速裝配;容易按顧客的要求改造。其目的是減少人工,在每次任務(wù)前不需要大動干戈進(jìn)行改造,生產(chǎn)裝置把制造火箭變得跟加工香腸一樣容易。由于采用標(biāo)準(zhǔn)的生產(chǎn)線、發(fā)射工序的流水線作業(yè),所以使發(fā)射成本減少了25%,而且把發(fā)射間歇時間從目前的數(shù)周減少至幾天。

“宇宙神”5號火箭芯級直徑3.81米,使用液氧煤油發(fā)動機(jī),有14種構(gòu)型,近地軌道運載能力最大達(dá)25噸;發(fā)射準(zhǔn)備時間只需提前12小時送上發(fā)射臺即可。此外,這種火箭發(fā)射時不用龐大的發(fā)射塔,只需1座發(fā)射架,并可在大風(fēng)條件下發(fā)射。“宇宙神”5號由400和500兩個子系列組成:400系列采用4米直徑整流罩,可以捆綁0~3個固體火箭助推器;500系列采用5米直徑整流罩,可以捆綁0~5個固體火箭助推器。所有的“宇宙神”5號系列運載火箭均以“宇宙神”公用芯級和“半人馬座”上面級作為主要的共用模塊。

“德爾他”4號火箭芯級直徑5.08米,使用液氫/液氧發(fā)動機(jī),也都以通用的新式公用芯級為基礎(chǔ)。該系列火箭可根據(jù)需要加配不同尺寸的整流罩和數(shù)量不一的助推器,有5種構(gòu)型。這些火箭不僅能發(fā)射1~23噸的近地軌道有效載荷,還可發(fā)射4~10.9噸的地球同步轉(zhuǎn)移軌道有效載荷。其中大型“德爾他”4號H更是具有向地球靜止軌道直接發(fā)射6.275噸有效載荷的能力,可滿足較大型衛(wèi)星雙星或多星發(fā)射的需求,大幅降低發(fā)射成本。

歐洲“阿里安”5號火箭升空

美國“獵鷹”9號火箭發(fā)射“龍”飛船

“獵鷹”9號為兩級型火箭,使用液氧/煤油發(fā)動機(jī),有3種構(gòu)型,近地軌道運載能力為9.9~32噸,地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力4.9~19.5噸。其第1級安裝了9臺火箭發(fā)動機(jī),所以在起飛時,若有1臺或2臺發(fā)動機(jī)發(fā)生故障,發(fā)射不會受到影響。

歐洲“阿里安”5號為兩級型火箭,芯級直徑5.4米,使用液氫/液氧發(fā)動機(jī),有4種構(gòu)型,近地軌道運載能力最大達(dá)21噸, 在全球衛(wèi)星發(fā)射市場名氣較大。歐洲還新研制了用于發(fā)射小衛(wèi)星的“織女星”火箭,其前3級采用固體燃料,第4級采用液體燃料,可多次點火,將300~2500千克的衛(wèi)星送入多種軌道。

俄羅斯“質(zhì)子”號火箭是蘇聯(lián)時代研制的老火箭,有兩級型、三級型(質(zhì)子-K、質(zhì)子-M)、四級型(質(zhì)子-K/D系列上面級、質(zhì)子-K/微風(fēng)-M上面級、質(zhì)子-M /微風(fēng)-M上面級),其中用于商業(yè)發(fā)射的質(zhì)子-M芯級直徑4.1米,使用偏二甲肼/四氧化二氮推進(jìn)劑,近地軌道運載能力最大達(dá)21噸。

日本H2-A為兩級火箭,芯級直徑5.4米,使用液氫/液氧發(fā)動機(jī),有5種構(gòu)型,H2-B是H2-A的升級版本,與H2-A火箭3.7噸的地球同步轉(zhuǎn)移軌道最大發(fā)射能力相比,H2-B的地球同步轉(zhuǎn)移軌道最大發(fā)射能力為8噸,空間站轉(zhuǎn)運飛行器軌道的最大發(fā)射能力為16.5噸。

此外,還有從飛機(jī)上發(fā)射的空射型運載火箭和從海上平臺發(fā)射海射火箭,前者優(yōu)點是費用低,靈活,快速;后者則可把發(fā)射場設(shè)置在赤道附近,從而最大限度借助地球自轉(zhuǎn)力來提高火箭的運載能力。

上述這些火箭可以軍民兩用,但都不像初期的運載火箭那樣從彈道導(dǎo)彈基礎(chǔ)上發(fā)展而來,而是獨立研制的,其特點是通用性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性、系列性和適應(yīng)性較強(qiáng),可不斷進(jìn)行小的改進(jìn),以便滿足用戶需求。

中國正迎頭趕上

中國主要發(fā)展的是“長征”系列運載火箭,已形成了包括長征一號、二號、三號甲、四號4個子系列共十多種型號的運載火箭。

長征二號系列用于發(fā)射低軌道航天器。目前使用長征二號丙,它采用了大推力液體火箭發(fā)動機(jī),近地軌道的運載能力達(dá)到3.8噸,可靠性很高,是此后“長征”火箭發(fā)展的基礎(chǔ)。長征二號E是在長征二號丙芯一級捆綁4個液體助推器,近地軌道運載能力達(dá)到9.5噸。長征二號F火箭是在長征二號E基礎(chǔ)上增加了故障檢測處理和逃逸系統(tǒng),并采用多種手段提高了火箭各系統(tǒng)的可靠性,使其可靠性從長征二號E的91%提高到97%,航天員的安全性達(dá)到了99.7%,達(dá)到了載人火箭的要求。

長征三號甲系列用于發(fā)射高軌道航天器,包括月球探測器。目前使用的長征三號甲第3級采用大推力氫氧發(fā)動機(jī),可將2.6噸有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。長征三號乙是在長征三號甲基礎(chǔ)上并聯(lián)捆綁了4個液體助推器,從而能把5.5噸有效載荷送入地球同步轉(zhuǎn)移軌道。長征三號丙是在長征三號甲火箭的基礎(chǔ)上捆綁有2個液體助推器,其地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力為2.6~3.8噸。

長征四號系列三級液體運載火箭的各級都采用四氧化二氮和偏二甲肼常規(guī)推進(jìn)劑,其中長征四號甲極軌運載能力為1.6噸;改進(jìn)后的長征四號乙極軌運載能力為2.8噸;長征四號丙的三級發(fā)動機(jī)具有二次啟動能力,極軌運載能力為3.1噸。

雖然我國“長征”系列運載火箭已取得了舉世矚目的成就,成功率達(dá)95%以上,尤其近17年,成功率高達(dá)98.6%,但與上述國外新型大推力運載火箭相比存在明顯差距,很難適應(yīng)未來航天的發(fā)展需求,例如,我國目前使用的運載火箭近地軌道運載能力最大為9.5噸,只有國外新型大推力火箭的一半左右;由于“長征”火箭是在液體彈道導(dǎo)彈基礎(chǔ)上進(jìn)行適應(yīng)性改進(jìn)而形成的,所以通用化、系列化、組合化程度低,因此出現(xiàn)了型號多、通用性差的局面,同時限制了規(guī)?;?、產(chǎn)業(yè)化的發(fā)展;我國火箭的第1、第2級和助推器現(xiàn)仍使用有毒、有污染的推進(jìn)劑,從而存在航區(qū)和人員安全及環(huán)境污染問題,等等。

一個國家進(jìn)入太空的能力在很大程度上決定了其空間活動能力以及空間應(yīng)用水平。因此,為了趕上國外新型大推力運載火箭的先進(jìn)水平,滿足未來20~30年航天發(fā)展的需求,保持我國運載技術(shù)在世界航天領(lǐng)域的地位,2006年10月,我國立項研制新一代大推力運載火箭長征五號。它具有大直徑、大推力、少級數(shù)、系列化、低成本、高可靠、易操作、無污染、適用廣等特點。

運輸中的俄羅斯“質(zhì)子”號火箭

日本H2號A系列運載火箭圖譜

四周裝有避雷設(shè)施的“織女星”運載火箭發(fā)射臺

長征五號的基本型為帶助推器的兩級火箭:芯一級采用2臺推力各約50噸的氫氧發(fā)動機(jī)并聯(lián)組成;助推器根據(jù)需要采用數(shù)臺推力各約120噸的液氧煤油發(fā)動機(jī);芯二級采用2臺推力各約8噸的氫氧發(fā)動機(jī)并聯(lián)組成,它由長征三號甲第3級氫氧發(fā)動機(jī)改進(jìn)而成;整流罩直徑5.2米,長18米。長征五號近地軌道運載能力為1.5~25噸,地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力為1.5~14噸。

據(jù)專家透露,我國長征五號火箭的研制是遵循“一個系列、兩種發(fā)動機(jī)、三個模塊”的總體思路,貫徹“通用化、組合化、系列化”的設(shè)計思想,通過模塊化組合方式,可以形成包括5米直徑大型運載火箭、3.35米直徑中型運載火箭和2.25米直徑小型運載火箭在內(nèi)的火箭系列。

日本新型固體運載火箭“埃普西隆”

美國正在打造的“重型獵鷹”火箭發(fā)射示意圖

美國正在研制的“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭示意圖

未來火箭大變樣

現(xiàn)在,國外還在研制新型火箭,其中包括發(fā)射小衛(wèi)星的火箭。如日本于9月14日首次發(fā)射的新型固體運載火箭“埃普西隆”擁有智能自檢功能、機(jī)動性強(qiáng)、成本低廉等特點,主要用于發(fā)射小衛(wèi)星,其近地軌道運載能力為1200千克,太陽同步軌道運載能力為450千克。與液體火箭相比,固體火箭雖然推力小、多次啟動難,但是使用時靈活方便,故多用于發(fā)射小型航天器和發(fā)射導(dǎo)彈,所以“埃普西隆”還可用于軍事。

俄羅斯研制多年的“安加拉”系列新型火箭有望在2014年進(jìn)行首次發(fā)射。該系列火箭可用多個通用火箭隨任務(wù)需要組合出不同推力的火箭,這些通用火箭使用RD-191液氧煤油發(fā)動機(jī)(已在韓國“羅老”號火箭上試驗成功),可將2噸~75噸的貨物送至近地軌道,它將取代老舊的“質(zhì)子”號火箭,成為俄羅斯未來太空火箭的主力。

日本宇宙航空研究開發(fā)機(jī)構(gòu)和三菱重工公司正在為研制H3號火箭開展技術(shù)論證,H3號為三級火箭,將取代現(xiàn)役兩級火箭H2-A和H2-B。其地球同步軌道運載能力為4噸,在使用固體燃料助推器的情況下可達(dá)6噸。該火箭可能在2020年前后首飛,它將有助于日本發(fā)射大型衛(wèi)星、載人航天器和深空探測器,且發(fā)射費用將比H2-A便宜20%~30%。

2012年11月,歐空局同意研制“阿里安”5號ME,并繼續(xù)研發(fā)模塊化、低成本的后繼型號“阿里安”6號火箭。與“阿里安”5號相比,“阿里安”5號ME采用了新的上面級,比目前的“阿里安”5號ECA型火箭的運載能力提高20%,地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力11.2噸,將在2017~2018年執(zhí)行飛行任務(wù)?!鞍⒗锇病?號的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運載能力并不高,為3噸~8噸,但可靠性高于“阿里安”5號系列火箭,成本也比“阿里安”5號低,并能夠?qū)崿F(xiàn)更高的發(fā)射頻率,預(yù)計在2020年后開始提供服務(wù)。

從長遠(yuǎn)看,未來運載火箭將呈現(xiàn)新的面貌,有兩大特點:

一是發(fā)展可重復(fù)使用運載器,因為目前的運載火箭都是一次性使用的,成本很高,所以美國、俄羅斯、歐洲、印度及日本等國家都正在加緊研制可重復(fù)使用運載器。其中美國太空探索技術(shù)公司正在實施“蚱蜢”計劃,已完成多次試驗,并獲初步成功。

二是發(fā)展重型運載火箭,因為美俄等國已把載人航天的目標(biāo)都瞄準(zhǔn)了月球、小行星和火星。為此要首先研制出發(fā)射大質(zhì)量深空載人飛船的重型運載火箭。當(dāng)年美蘇競爭載人登月時蘇聯(lián)之所以敗給美國,最重要的原因就是蘇聯(lián)N1重型火箭4次發(fā)射失敗,而美國研制出近地軌道運載能力120多噸的“土星”5號重型火箭。美國太空探索技術(shù)公司正研制近地軌道運載能力達(dá)53噸的“重型獵鷹”火箭,它擬于近年進(jìn)行首次試射,該公司還將研制近地軌道運載能力達(dá)170噸的“超級載重火箭”。美國航宇局正在研制的“航天發(fā)射系統(tǒng)”重型運載火箭采用航天飛機(jī)的發(fā)動機(jī),初始近地軌道運載能力為70噸,改進(jìn)后將達(dá)130噸。

《2011年中國的航天》白皮書指出,我國正開展載人登月前期方案論證,而研制重型火箭對于未來載人登月甚至載人登火星具有重要意義。由于載人登月飛船一般需在50噸以上,而且其奔月時的速度要求為每秒10.9千米,因此必須擁有重型運載火箭才行,如要進(jìn)行載人登火星更是如此。

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