兩個月完成10次發(fā)射

想讓中國火箭更有力 要靠這些“神操作”

最近中國航天很忙,，從5月5日到7月9日兩個月時間，就實施了10次發(fā)射,，先后由長征五號B,、快舟一號甲、長征十一號等型號運載火箭,，執(zhí)行了新一代載人飛船試驗船以及多顆衛(wèi)星的發(fā)射任務,。

眾所周知，火箭是用于航天活動的運載工具,。正如地面上有不同種類的汽車,，火箭也分為不同型號，“力氣”有大有小,，根據(jù)各自的特點和運載能力,，執(zhí)行不同的任務。

那么,，火箭按照運載能力如何分類,，不同類型的火箭發(fā)動機有何特點，火箭的運載能力又該如何提升,？中國航天科技集團一院（以下簡稱一院）型號設計師錢航以長征系列運載火箭為例,，向科技日報記者進行了介紹,。

不同類型火箭各有所長

今年5月5日，長征五號B運載火箭在我國文昌航天發(fā)射場升空,，上演了首秀,。未來，這型“大火箭”將在中國空間站建設中發(fā)揮重要作用,。

把長征五號稱為“大火箭”,，可不光指個頭。錢航介紹說,，按照運載能力大小,，運載火箭可以分為小型、中型,、大型和重型（超重型）4類,。不同類型的火箭各有所長。

目前這種分類方法尚無統(tǒng)一的量化標準,，我國航天界一般將近地軌道運載能力在20噸至100噸的運載火箭,，以及其衍生構型稱為大型運載火箭。

由一院抓總研制的我國新一代大型運載火箭長征五號系列,，目前發(fā)射過2種構型,。長征五號B為一級半火箭，是我國現(xiàn)役運載火箭中唯一一款無需級間分離,，可以直接發(fā)射入軌的火箭,，可靠性大為提升。同時具備超過22噸的近地軌道運載能力,。這些特點,，讓它成為承擔我國空間站艙段發(fā)射任務的不二之選。長征五號基礎型則為兩級半構型火箭,，雖然其近地軌道運載能力可以達到25噸以上,，但它的任務卻主要瞄向更深遠的太空。

長征五號火箭地球同步轉移軌道運載能力約為14噸,，可以承擔基于東方紅五號平臺研制的大型通信衛(wèi)星發(fā)射任務,。該型火箭還具備8噸以上的地月轉移軌道運載能力，以及5噸左右的地火轉移軌道運載能力,。按計劃,，2020年我國將先后用長征五號火箭發(fā)射天問一號火星探測器以及嫦娥五號月球探測器。

中型運載火箭的近地軌道運載能力,，通常在2噸至20噸,。在長征火箭家族中，這一類別的火箭陣容龐大。曾經(jīng)承擔全部北斗衛(wèi)星以及嫦娥系列探測器發(fā)射任務,，被譽為“金牌火箭”的長三甲系列運載火箭,；完成11艘神舟飛船和天宮一號、二號空間實驗室發(fā)射任務的長征二號F運載火箭,；以及在未來空間站任務中主要用于發(fā)射貨運飛船的新一代運載火箭長征七號,，都是我國中型火箭的代表。

近地軌道運載能力低于2噸的,，被稱為小型運載火箭,。可別小看它們,，在微小衛(wèi)星市場日益繁榮的今天,，“小火箭”也有大作為。以我國新一代小型運載火箭長征十一號為例,，作為長征火箭家族中首型固體運載火箭,，它的近地軌道運載能力約為700公斤，700公里太陽同步軌道運載能力約400公斤,，同時具備在接到任務命令后24小時內(nèi)完成技術準備并發(fā)射的能力,，可以滿足在應急情況下快速,、機動發(fā)射衛(wèi)星的需求,。

此外，具備低,、中,、高軌道發(fā)射能力，近地軌道運載能力超過百噸,，起飛推力達到3000噸級的,，則屬于重型運載火箭，其代表包括美國曾用于執(zhí)行阿波羅載人登月任務的土星五號火箭,，由蘇聯(lián)研制,、至今保持運載能力世界紀錄的能源號火箭等。

固體,、液體發(fā)動機不分優(yōu)劣

近年來面對不斷增長的空間資源開發(fā)需求和日益激烈的商業(yè)發(fā)射市場競爭,，我國開發(fā)出長征五號等4種型號的新一代大型、中型,、小型運載火箭,。錢航說，新一代運載火箭以可靠,、安全,、經(jīng)濟為主要設計原則，采用無毒環(huán)保、價格便宜,、比沖（是對火箭推進劑利用效率的一種描述,，指單位推進劑的量所產(chǎn)生的沖量）較高的液氫、液氧或液氧煤油發(fā)動機,。那么這是不是意味著液體燃料發(fā)動機比固體燃料發(fā)動機更好,、運力更大呢？

錢航說,，液體燃料發(fā)動機優(yōu)點是燃料能量密度高,，比沖大，容易實現(xiàn)流量控制,，可以用于機動或變軌,。不過液體燃料不易儲存，大多需要在火箭發(fā)射前加注,。我國傳統(tǒng)液體燃料發(fā)動機火箭所用的偏二甲肼,、四氧化二氮燃料，更是有劇毒,、強腐蝕性,，且易燃易爆，十分危險,，對儲存和加注工作有著極為嚴苛的要求,。近年我國陸續(xù)問世的新一代運載火箭，采用了液氫,、液氧,、煤油等綠色燃料，對環(huán)境基本不會造成影響,，但存儲和加注工作則更加復雜,。

固體燃料發(fā)動機的基本原理是點燃藥柱，燃燒產(chǎn)生大量高溫氣體從噴管噴出,，推動火箭前進,。相比宋代就誕生的火藥玩具“竄天猴”，其結構和原理并沒有太大改變,。錢航介紹,，固體燃料發(fā)動機主要有3方面優(yōu)點。首先,，相比液體燃料發(fā)動機,，其不需要燃料泵等復雜的機械結構，結構更為簡單且造價低廉,；其次,，由于藥柱是以固態(tài)形式存在,，其特性比液體燃料更穩(wěn)定，儲存起來也更安全,；此外,，由于結構簡單，固體燃料發(fā)動機可以做得很輕,，也更易于小型化,。不過固體燃料發(fā)動機也有其劣勢。例如燃燒時間相對較短,，比沖較小,，不能重復點火，也很難實現(xiàn)推力調(diào)節(jié),。這都對它的任務適應性造成了制約,。

火箭發(fā)動機形式不分優(yōu)劣，也不能決定火箭的運載能力,。雖然目前國內(nèi)主要的固體燃料發(fā)動機運載火箭如長征十一號,，以及由中國航天科工集團研制的快舟一號甲均為小型運載火箭，但在美國正在研制的SLS重型運載火箭身上,，也裝著世界上推力最大的固體燃料火箭發(fā)動機,。

4項措施可有效提升火箭運力

運載能力是火箭性能最直接、最重要的參數(shù)指標,。錢航介紹說,，火箭的運力主要由火箭總體設計水平、發(fā)動機性能與制造水平,、箭體結構設計與制造水平等多種因素決定,。

他表示,，想要提高火箭運載能力,，主要有4方面措施。首先是在保持火箭構型不變的情況下,，通過優(yōu)化級間比（第i級火箭的質(zhì)量除以第i+1級火箭的質(zhì)量,，是影響火箭理想速度的參數(shù)之一），增加推進劑的加注量,。長征三號甲系列,、歐洲的阿里安5系列，以及美國的獵鷹九號運載火箭,，都是通過這項措施,，使運載能力顯著提高。

結構優(yōu)化減重是運載器設計的永恒主題,。在今年7月9日實施的亞太6D衛(wèi)星發(fā)射任務中,，長征三號乙運載火箭就是通過減重的方法，將運載能力提升了50公斤，以滿足發(fā)射要求,。錢航介紹,，在運載器設計和應用前期，主要是通過改進工藝,、選用新材料,、優(yōu)化傳力路徑等方式提高結構效率?；鸺龑w結構系統(tǒng)的輕質(zhì)化設計有著更高要求,，一院火箭技術團隊經(jīng)過大量仿真計算和試驗，提出了主捆綁及發(fā)動機集中力“雙擴散”結構,、超大氣瓶變形自適應支撐結構,、捆綁起吊多功能一體化結構等多項新型輕質(zhì)設計方案，收效良好,。

發(fā)動機性能優(yōu)劣,，直接影響著火箭運載能力。在美國航天飛機,、獵鷹九號火箭的運力提升舉措中,，提高發(fā)動機推力和比沖是重要環(huán)節(jié)之一。我國在長征五號運載火箭上使用了首次研制的膨脹循環(huán)動力方式氫氧發(fā)動機,，這是目前國際上比沖性能最高的火箭發(fā)動機,，并且具有高空多次啟動能力。

此外,，總體優(yōu)化設計也是提升火箭運力的有效途徑,。錢航表示，從火箭總體構型考慮,，可盡量選用推力大的發(fā)動機作為基礎級動力,，為上面級選用高比沖發(fā)動機，并開展載荷姿控聯(lián)合設計降低結構載荷條件,，均可有效提升火箭運載能力,。