尹懷勤

自古以來，人類一直夢想進(jìn)入太空?？墒牵M(jìn)入太空大門的鑰匙在哪里？19世紀(jì)末20世紀(jì)初，人類積累了一定的科學(xué)知識和技術(shù)，終于找到了打開太空大門的鑰匙。

由于受地球引力的牽制，航天器要在沖出大氣層后環(huán)繞地球運(yùn)行，必須達(dá)到每秒7.9千米的第一宇宙速度;若要飛向月球，必須達(dá)到每秒10.8千米的速度;要環(huán)繞太陽運(yùn)行，必須達(dá)到每秒11.2千米的第二宇宙速度;若要掙脫太陽引力飛出太陽系，必須達(dá)到每秒16.7千米的第三宇宙速度。幫助航天器攀登到如此高的飛行速度的，就是運(yùn)載火箭。

而在運(yùn)載火箭家族中，大、重型火箭代表著一個國家的最高科技水平，是國家綜合實(shí)力的體現(xiàn)。經(jīng)過幾十年的努力，我國相繼推出了小、中型“長征”系列火箭，成功研制了“長征五號”大型火箭，并提出了重型運(yùn)載火箭——“長征九號（CZ-9 ）”的研制方案。

“長征九號”火箭的構(gòu)型和性能

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。在我國，一般將近地軌道運(yùn)載能力為2噸及其以下的火箭稱為“小型運(yùn)載火箭”;將近地軌道運(yùn)載能力為2～20噸的火箭稱為“中型運(yùn)載火箭”;將近地軌道運(yùn)載能力為20～50噸的火箭稱為“大型運(yùn)載火箭”;將近地軌道運(yùn)載能力為50噸及其以上的火箭稱為“重型運(yùn)載火箭”。截至目前，世界上只有美國和俄羅斯研制并使用過重型運(yùn)載火箭，如美國發(fā)射“阿波羅”載人登月飛船時用的“土星五號”三級液體運(yùn)載火箭和蘇聯(lián)發(fā)射“暴風(fēng)雪號”航天飛機(jī)時用的一級半結(jié)構(gòu)的能源號液體運(yùn)載火箭。我國正在預(yù)研的“長征九號”火箭，也是公認(rèn)的重型運(yùn)載火箭。

“長征九號”重型運(yùn)載火箭的出現(xiàn)與登月計(jì)劃息息相關(guān)。美國啟動了“重返月球”的星座計(jì)劃，并研制“戰(zhàn)神五號”重型火箭，我國啟動月球探測工程以后也將開始進(jìn)行載人登月，必然需要重型運(yùn)載火箭。你想，月球取樣返回任務(wù)尚且需要運(yùn)力比現(xiàn)有火箭高2倍多的“長征五號”大型火箭，那么載人登月就需要運(yùn)力更大的火箭了。

參照美國發(fā)射“阿波羅”載人登月飛船用的“土星五號”火箭和星座計(jì)劃的“戰(zhàn)神五號”火箭，我國“長征九號”重型運(yùn)載火箭論證初期，運(yùn)力指標(biāo)也瞄準(zhǔn)了“戰(zhàn)神五號”130噸的近地軌道運(yùn)力。目前，我國正在進(jìn)行重型火箭長征九號的相關(guān)預(yù)研工作，并不斷取得新的進(jìn)展。國防科技工業(yè)局已經(jīng)正式批準(zhǔn)對重型火箭的關(guān)鍵技術(shù)深入研究，主要包括總體技術(shù)和發(fā)動機(jī)技術(shù)這兩個方面，從而實(shí)現(xiàn)讓重型火箭起飛推力在“長征五號”大型火箭1000噸的基礎(chǔ)上提升至3000噸以上的目標(biāo)。這無疑是讓國人振奮的巨大跨越。

運(yùn)載火箭的能力決定了航天的舞臺大小。目前，我國的重型運(yùn)載火箭已經(jīng)完成了深化論證工作。考慮到我國航天技術(shù)的發(fā)展需求、技術(shù)保障和工業(yè)體系，以及動力型譜發(fā)展等因素，科研人員最終決定研制500噸推力的液氧煤油發(fā)動機(jī)和200噸推力的液氫液氧發(fā)動機(jī)，以此為主動力組成三級半方案的“長征九號”重型運(yùn)載火箭。

“長征九號”重型運(yùn)載火箭的直徑達(dá)9米，全長近100米，起飛推力約為4000噸，起飛質(zhì)量大約為3000噸，近地軌道運(yùn)載能力約為100噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力約為50噸。這與美國多次成功發(fā)射“阿波羅”載人登月飛船的“土星五號”火箭的運(yùn)力相近，將成為我國未來執(zhí)行載人登月、大規(guī)模深空探測任務(wù)的運(yùn)載工具。

中國航天科技集團(tuán)負(fù)責(zé)人表示，我國正在加快實(shí)施重型運(yùn)載火箭“長征九號”關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)先研究，力爭用4至5年時間突破火箭總體設(shè)計(jì)，以及液氧煤油發(fā)動機(jī)、液氫液氧發(fā)動機(jī)和9米左右直徑火箭箭體結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)制造等關(guān)鍵技術(shù)，最終用大約15年的時間完成整個火箭的研制工作。

“長征九號”重型運(yùn)載火箭的首要研制目標(biāo)，是滿足未來載人登月任務(wù)的需求。而規(guī)劃中的火星取樣返回任務(wù)和其他行星探測任務(wù)也需要這樣的重型運(yùn)載火箭的參與。此外，中國航天科技集團(tuán)五院的錢學(xué)森實(shí)驗(yàn)室熱衷研發(fā)的空間太陽能電站，同樣需要使用“長征九號”這樣的重型運(yùn)載火箭才能發(fā)射和組建。

己經(jīng)攻克的兩大技術(shù)難題

在“長征五號”大型運(yùn)載火箭的研制中，我國已經(jīng)突破了一批新材料、新工藝和新設(shè)備的難題，帶動了基礎(chǔ)工業(yè)的發(fā)展。而在研制 “長征九號”重型運(yùn)載火箭中，更需實(shí)現(xiàn)世界一流水平的500噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)、200噸級液氫液氧發(fā)動機(jī)以及超大直徑箭體的設(shè)計(jì)制造和試驗(yàn)技術(shù)。這對我國基礎(chǔ)工業(yè)和前沿技術(shù)同樣有很大的推動作用，必將有力推動我國科技創(chuàng)新和工業(yè)水平升級。

長征系列火箭

2014年6月14日，由中國航天科技集團(tuán)公司六院北京11所設(shè)計(jì)的重型運(yùn)載火箭液氫液氧發(fā)動機(jī)大流量單噴嘴試驗(yàn)取得了成功。此次試驗(yàn)是針對該型發(fā)動機(jī)大流量、高效穩(wěn)定燃燒技術(shù)的研究性試驗(yàn)，是從多種設(shè)計(jì)方案中挑選出來的一種可行途徑。這可能是中國未來“長征九號”重型運(yùn)載火箭計(jì)劃采用的大推力液氧煤油發(fā)動機(jī)的基礎(chǔ)技術(shù)預(yù)研項(xiàng)目，是中國登月萬里長征之路上邁出的最新一步。

2016年1月9日，據(jù)媒體報(bào)道，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院一部牽頭國內(nèi)相關(guān)單位，采用整體鍛造法成功研制出重型運(yùn)載火箭“長征九號”貯箱過渡環(huán)，完成了超大直徑整體鍛造的關(guān)鍵技術(shù)研發(fā)。這在國內(nèi)乃至世界均尚屬首創(chuàng)，標(biāo)志著“長征九號”重型運(yùn)載火箭的預(yù)研工作突破了一大瓶頸難題，為后續(xù)研制的順利開展奠定了基礎(chǔ)。

“長征九號”重型運(yùn)載火箭采用了9米的超大直徑箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。位于連接貯箱的筒段、前后底與火箭的箱間段之間的過渡環(huán)直徑很大，承載力強(qiáng)，受力較集中，是傳力的關(guān)鍵部位。以往型號產(chǎn)品的過渡環(huán)通常采用分段式鍛造，把各部段之間焊接起來，而為增強(qiáng)重型運(yùn)載火箭過渡環(huán)的受力強(qiáng)度，保障火箭發(fā)射和飛行的安全，必須采用整體鍛造法制備過渡環(huán)。

堅(jiān)持創(chuàng)新和節(jié)約相結(jié)合的原則

我國現(xiàn)役的運(yùn)載火箭芯級最大直徑為3.35米，而計(jì)劃于2016年9月前后首飛的“長征五號”大推力火箭芯級直徑達(dá)到了5米。以“長征五號”大型火箭直徑從3.35米跨越到5米的研制經(jīng)驗(yàn)來看，大直徑9米的“長征九號”重型運(yùn)載火箭箭體的研制，對制造工藝的要求更高，在焊接技術(shù)、原材料、大推力發(fā)動機(jī)等領(lǐng)域都需要進(jìn)一步提升，不斷創(chuàng)新。

一系列先進(jìn)理念、先進(jìn)工藝將出現(xiàn)在“長征九號”重型運(yùn)載火箭身上：推進(jìn)劑儲箱將使用輕質(zhì)高強(qiáng)度的鋁鋰合金，級間段和整流罩將使用復(fù)合材料，火箭電氣和控制系統(tǒng)將使用故障診斷系統(tǒng)。同時，火箭制導(dǎo)系統(tǒng)將使用捷聯(lián)慣導(dǎo)、衛(wèi)星導(dǎo)航、星光導(dǎo)航的復(fù)合制導(dǎo)方案，軟件方面將使用攝動加迭代的制導(dǎo)律。此外，還將具備基于天基天鏈系統(tǒng)的遙測控制能力。

“長征九號”重型運(yùn)載火箭的設(shè)計(jì)不僅考慮到使用新技術(shù)提升現(xiàn)有火箭的性能和技術(shù)水平，而且充分利用了現(xiàn)有的試驗(yàn)設(shè)備和成熟技術(shù)來降低制造成本。未安裝逃逸塔和整流罩時，“長征九號”重型運(yùn)載火箭全長約88米。早已建成的天津新一代大型運(yùn)載火箭基地的93米高度全箭振動塔，足以對其進(jìn)行全箭振動試驗(yàn)。這將分?jǐn)偂伴L征五號”大型火箭的研發(fā)投資，從而降低研制成本。此外，我國在研制“長征五號”大型火箭的助推器（即推力為120噸的YF-100液氧煤油發(fā)動機(jī)）時建設(shè)的最大可支持500噸級液體火箭發(fā)動機(jī)的試車臺，也可以直接支持下一代的500噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)進(jìn)行熱試車。

發(fā)展航天事業(yè)，必須動力先行。人類探索太空的能力，基本上取決于火箭的推力。重型運(yùn)載火箭是一個國家戰(zhàn)略力量的基礎(chǔ)，而研制重型運(yùn)載火箭，將促進(jìn)眾多相關(guān)科技的創(chuàng)新！