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(shí)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(yùn)載火箭,，執(zhí)行了新一代載人飛船試驗(yàn)船以及多顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù),。

眾所周知，火箭是用于航天活動的運(yùn)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(diǎn)和運(yùn)載能力,，執(zhí)行不同的任務(wù)。

那么,，火箭按照運(yùn)載能力如何分類,，不同類型的火箭發(fā)動機(jī)有何特點(diǎn)，火箭的運(yùn)載能力又該如何提升,？中國航天科技集團(tuán)一院（以下簡稱一院）型號設(shè)計(jì)師錢航以長征系列運(yùn)載火箭為例,，向科技日報記者進(jìn)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(yùn)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(shè)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(yùn)載能力大小，運(yùn)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(biāo)準(zhǔn),，我國航天界一般將近地軌道運(yùn)載能力在20噸至100噸的運(yùn)載火箭，以及其衍生構(gòu)型稱為大型運(yùn)載火箭,。

由一院抓總研制的我國新一代大型運(yùn)載火箭長征五號系列,，目前發(fā)射過2種構(gòu)型。長征五號B為一級半火箭,，是我國現(xiàn)役運(yùn)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(yùn)載能力,。這些特點(diǎn),，讓它成為承擔(dān)我國空間站艙段發(fā)射任務(wù)的不二之選,。長征五號基礎(chǔ)型則為兩級半構(gòu)型火箭,，雖然其近地軌道運(yùn)載能力可以達(dá)到25噸以上，但它的任務(wù)卻主要瞄向更深遠(yuǎn)的太空,。

長征五號火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力約為14噸,，可以承擔(dān)基于東方紅五號平臺研制的大型通信衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。該型火箭還具備8噸以上的地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力,，以及5噸左右的地火轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力,。按計(jì)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(yùn)載火箭的近地軌道運(yùn)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(dān)全部北斗衛(wèi)星以及嫦娥系列探測器發(fā)射任務(wù)，被譽(yù)為“金牌火箭”的長三甲系列運(yùn)載火箭,；完成11艘神舟飛船和天宮一號,、二號空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射任務(wù)的長征二號F運(yùn)載火箭；以及在未來空間站任務(wù)中主要用于發(fā)射貨運(yùn)飛船的新一代運(yùn)載火箭長征七號,，都是我國中型火箭的代表,。

近地軌道運(yùn)載能力低于2噸的，被稱為小型運(yùn)載火箭,?？蓜e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(yùn)載火箭長征十一號為例，作為長征火箭家族中首型固體運(yùn)載火箭,，它的近地軌道運(yùn)載能力約為700公斤,，700公里太陽同步軌道運(yùn)載能力約400公斤，同時具備在接到任務(wù)命令后24小時內(nèi)完成技術(shù)準(zhǔn)備并發(fā)射的能力,，可以滿足在應(yīng)急情況下快速,、機(jī)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(yùn)載能力超過百噸,，起飛推力達(dá)到3000噸級的,，則屬于重型運(yùn)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(wù)的土星五號火箭,，由蘇聯(lián)研制,、至今保持運(yùn)載能力世界紀(jì)錄的能源號火箭等。

固體,、液體發(fā)動機(jī)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(yùn)載火箭,。錢航說，新一代運(yùn)載火箭以可靠,、安全,、經(jīng)濟(jì)為主要設(shè)計(jì)原則，采用無毒環(huán)保,、價格便宜,、比沖（是對火箭推進(jìn)劑利用效率的一種描述，指單位推進(jìn)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(jī),。那么這是不是意味著液體燃料發(fā)動機(jī)比固體燃料發(fā)動機(jī)更好、運(yùn)力更大呢,？

錢航說,，液體燃料發(fā)動機(jī)優(yōu)點(diǎn)是燃料能量密度高，比沖大,，容易實(shí)現(xiàn)流量控制,，可以用于機(jī)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(jī)火箭所用的偏二甲肼、四氧化二氮燃料,，更是有劇毒,、強(qiáng)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(yán)苛的要求。近年我國陸續(xù)問世的新一代運(yùn)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(fù)雜,。

固體燃料發(fā)動機(jī)的基本原理是點(diǎn)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(jìn),。相比宋代就誕生的火藥玩具“竄天猴”，其結(jié)構(gòu)和原理并沒有太大改變,。錢航介紹,，固體燃料發(fā)動機(jī)主要有3方面優(yōu)點(diǎn)。首先,，相比液體燃料發(fā)動機(jī)，其不需要燃料泵等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu),，結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)簡單,，固體燃料發(fā)動機(jī)可以做得很輕，也更易于小型化,。不過固體燃料發(fā)動機(jī)也有其劣勢,。例如燃燒時間相對較短，比沖較小,，不能重復(fù)點(diǎn)火,，也很難實(shí)現(xiàn)推力調(diào)節(jié)。這都對它的任務(wù)適應(yīng)性造成了制約,。

火箭發(fā)動機(jī)形式不分優(yōu)劣,，也不能決定火箭的運(yùn)載能力。雖然目前國內(nèi)主要的固體燃料發(fā)動機(jī)運(yùn)載火箭如長征十一號,，以及由中國航天科工集團(tuán)研制的快舟一號甲均為小型運(yùn)載火箭,，但在美國正在研制的SLS重型運(yùn)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(jī),。

4項(xiàng)措施可有效提升火箭運(yùn)力

運(yùn)載能力是火箭性能最直接,、最重要的參數(shù)指標(biāo)。錢航介紹說,，火箭的運(yùn)力主要由火箭總體設(shè)計(jì)水平,、發(fā)動機(jī)性能與制造水平、箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造水平等多種因素決定,。

他表示,，想要提高火箭運(yùn)載能力,，主要有4方面措施。首先是在保持火箭構(gòu)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(jìn)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(yùn)載火箭,，都是通過這項(xiàng)措施,，使運(yùn)載能力顯著提高。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重是運(yùn)載器設(shè)計(jì)的永恒主題,。在今年7月9日實(shí)施的亞太6D衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)中,，長征三號乙運(yùn)載火箭就是通過減重的方法，將運(yùn)載能力提升了50公斤,，以滿足發(fā)射要求,。錢航介紹，在運(yùn)載器設(shè)計(jì)和應(yīng)用前期,，主要是通過改進(jìn)工藝,、選用新材料、優(yōu)化傳力路徑等方式提高結(jié)構(gòu)效率,?；鸺龑w結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輕質(zhì)化設(shè)計(jì)有著更高要求，一院火箭技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過大量仿真計(jì)算和試驗(yàn),，提出了主捆綁及發(fā)動機(jī)集中力“雙擴(kuò)散”結(jié)構(gòu),、超大氣瓶變形自適應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)、捆綁起吊多功能一體化結(jié)構(gòu)等多項(xiàng)新型輕質(zhì)設(shè)計(jì)方案,，收效良好,。

發(fā)動機(jī)性能優(yōu)劣，直接影響著火箭運(yùn)載能力,。在美國航天飛機(jī),、獵鷹九號火箭的運(yùn)力提升舉措中，提高發(fā)動機(jī)推力和比沖是重要環(huán)節(jié)之一,。我國在長征五號運(yùn)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(jī),，這是目前國際上比沖性能最高的火箭發(fā)動機(jī)，并且具有高空多次啟動能力,。

此外,，總體優(yōu)化設(shè)計(jì)也是提升火箭運(yùn)力的有效途徑。錢航表示，從火箭總體構(gòu)型考慮,，可盡量選用推力大的發(fā)動機(jī)作為基礎(chǔ)級動力,，為上面級選用高比沖發(fā)動機(jī)，并開展載荷姿控聯(lián)合設(shè)計(jì)降低結(jié)構(gòu)載荷條件,，均可有效提升火箭運(yùn)載能力,。