[专题]中国大推力火箭技术已被日本大幅超越

2011-10-29 18:45:15 来源: 网易军事
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2011年9月29日天宫一号目标飞行器发射成功,11月1日中国将发射神舟八号飞船与其进行中国第一次空间无人交会对接试验。国人在高兴的同时,不得不提的是中国还必须要发展更大推力的火箭才能在未来执行空间站建设任务。而在目前,中国火箭技术还大幅落后于世界主流水平。

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中国最早的长征2号火箭其实就是用来发射了卫星的东风5号洲际导弹。

长征2号火箭源于东风5号洲际导弹

2011年9月29日天宫一号目标飞行器发射成功,据报道11月1日还将进行神舟八号飞船的发射,随后进行中国第一次空间无人交会对接试验。细心的朋友可能会发现,发射天宫一号的CZ-2FT1火箭的运载能力仅为8600千克,这还是经过改进增加了100千克运载能力的结果。长征二号F火箭凝聚了中国航天人过去数十年的努力,是中国运载能力最大的火箭之一,但对比美俄等航天强国中国大推力运载火箭在运载能力和技术上仍存在巨大的差距,即使对比欧日这些后起之秀也略逊一筹。

和美国苏联类似,中国航天的运载火箭也源自弹道导弹项目,直至今日长征系列运载火箭仍然和弹道导弹血脉相连。目前所用的长征二号系列火箭中最早的长征二号火箭,其实就是中国第一种洲际弹道导弹东风五号导弹的衍生品,第一批次生产的6枚东风五号洲际导弹中,前2枚用于弹道导弹测试称为东风五号洲际导弹,后4枚用于发射卫星改称长征二号运载火箭,从这段历史可以看出早期的东风五号导弹和长征二号火箭实际上仅有发射载荷的区别。

长征2号丙火箭发射成功率较高

在1974年首次发射失败后,1975年11月26日长征二号运载火箭发射成功。1974年为了发射研制中的静止轨道通信卫星,中国开始论证研制长征二号甲和长征二号乙火箭,第三级发动机分别为使用常温偏二甲肼四氧化二氮推进剂的YF-40和使用低温氢氧推进剂的YF-73。

进入20世纪80年代以后中国继续改进东风五号和长征二号,诞生了第二批次东风五号和长征二号丙运载火箭,长征二号丙运载火箭的LEO运载能力达到了2400千克,并大大提高了火箭的可靠性,直到今年8月18日发射实践十一号-04星失败,才打破长征二号丙运载火箭发射全程成功的金身。

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正在向发射架转运中的神舟八号飞船与长征2F火箭的综合体。长征2F火箭在所有中国火箭中可靠性指标最高。

长征2F火箭在中国火箭中可靠性最高

20世纪80年代中国运载火箭研究院和上海航天局继续改进长征系列运载火箭,在90年代取得了全面的突破。为了满足发射大质量外国通信卫星的需求,研制了捆绑式运载火箭长征二号E(CZ-2E),它可将9.2吨的有效载荷送入倾角28.5度的200千米高度圆轨道,1990年长征二号E火箭首次发射。使用EPKM发动机的火箭编号为长征二号E/ETS,可将3.5吨的卫星送入同步转移轨道,1995年长征二号E/ETS火箭首次发射。

长征二号F(CZ-2F)火箭在可靠性方面做了更多有益的探索。长征二号F火箭是中国按照高可靠性和高安全性原则设计的第一种运载火箭,从而成为中国可靠性指标最高的火箭。长征 二号F火箭设计中广泛使用了冗余设计和裕度设计,针对中国工业水平不高元器件质量较差的的问题,进一步提高了元器件质量等级要求和筛选标准,箭体结构设计 上提高了剩余强度系数,所使用的发动机也加入了提高可靠性的设计。此外还用了钝感火工品降低火工品误爆的可能性,从而大幅度提高安全性,在提高维护性上还 研制了更有效的故障检测系统。经过一系列设计上的改进,长征二号F火箭可靠性指标从0.91提高到0.97,保证了中国载人航天历次发射的成功。发射天宫 一号的长征二号F火箭进一步改进设计提高可靠性,编号为长征二号F/G。

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长征3B火箭在中国火箭中运载能力最强,近地轨道的运载能力已达到12吨。不过相比日本H-IIB火箭在近地轨道的16吨运载能力,已是明显落后。

长征三号甲火箭应用氢氧发动机

20世纪80年代中国运载火箭研究院成功研制了发射静止轨道卫星的长征三号火箭,1984年4月8日成功将东方红二号通信卫星成功送入同步转移轨道,长征三号火箭可将1600千克的卫星送入同步转移轨道。竞争静止轨道卫星发射失败的长征四号火箭取消,上海航天局以此为基础研制了长征四号甲运载火箭,这同样是一个三级运载火箭,但主要用于发射太阳同步轨道卫星,它可将1500千克的卫星送入倾角99度、高度901千米的轨道太阳同步轨道。包括风云一号、风云三号在内的很多太阳同步轨道卫星都是使用长征四号甲及其后继型号发射的,中国的部分侦察卫星和资源卫星也使用长征四号系列运载火箭发射。

应用新的YF-75氢氧发动机,运载火箭研究院将长征三号改进为长征三号甲运载火箭,长征三号甲火箭一、二级和长征三号基本相同,第三级改用大推力的YF-75发动机并使用了数字化小型控制系统、冷氦增压推进剂输送技术等先进技术,将同步转移轨道运载能力提升到2.65吨,1994年长征三号甲火箭首次发射。今天印度运载能力最强的GSLV MkI/II火箭的同步转移轨道运载能力仅有2吨,无论长征二号E还是长征三号甲火箭的同步转移轨道运载能力都远高于此。

长征三号乙火箭LEO能力达到12吨

中国当时研制的东方红三代静止轨道通信卫星质量匹配长征三号甲火箭的运力,国内并没有更大质量卫星的发射需求,但同期欧美大型通信卫星的质量已经开始飙升。为了招揽外星发射任务,中国运载火箭研究院研制了长征三号乙(CZ-3B)捆绑式运载火箭,它的芯级就是一枚长征三号甲火箭,四枚液体助推器的组成布局和长征二号E火箭相同。长征三号乙运载火箭的同步转移轨道运载能力增加到5吨,可以发射主流的静止轨道通信卫星,1997年8月20日长征三号乙火箭成功将马步海卫星送入同步转移轨道。此后长征三号乙火箭进行了各项改进,最新的长征三号乙增强型运载火箭已经将同步转移轨道运载能力提高到5.5吨,理论上的LEO(近地轨道)运载能力达到12吨。它是中国运载能力最强的运载火箭。

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美国在60年代的冷战时期就已发展出来至今其他国家都没能超越的土星五火箭,该火箭在近地轨道运载能力达到了令人惊叹的118吨。

中国火箭与发达国家仍有较大差距

中国航天事业尤其是运载火箭数十年来的成绩,在发展中国家中可以说是独一无二的。印度迄今为止研制使用的PSLV和GSLV火箭,其同步转移轨道运载能力分别只有1.2吨和2吨,以运载能力衡量相当于中国20年前的水平。至于另一个发展中国家的大国巴西,甚至没有一次成功的运载火箭发射。伊朗成功的发射了2颗卫星,但运载火箭的技术档次和运载能力尚不及中国长征一号运载火箭的水平。不过这个世界上的航天列强多数是发达国家,面对美国、俄罗斯、欧洲和日本等国家,中国运载火箭的技术和运载能力就要相形见绌了。

美俄冷战时期火箭技术就已独步全球

美国在20世纪60年代就研制了近地轨道运载能力118吨的土星五号运载火箭,1965年开始发射的大力神3C火箭的近地轨道运载能力就达到了13吨。70年代研制的航天飞机轨道器具有将29吨有效载荷送入太空的能力,美国空军80年代还研制了近地轨道运载能力达到21吨的大力神4火箭作为航天飞机不能满足军用任务时的备份。

作为冷战时代针锋相对的对手,虽然近百吨运载能力的N1火箭研制失败,但1965年苏联的质子号运载火箭首次发射,到1968年三级火箭结构的质子火箭投入使用时,近地轨道运载能力达到了21吨,在1987年能源号火箭首次发射前,质子火箭一直是苏联运载能力最大的运载火箭。

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日本近年来的技术快速跃进,其H-IIB运载火箭已经2次成功完成向国际空间站发射总重约16.5吨的HTV货运飞船的任务。

冷战后日欧火箭技术实现快速跃进

冷战结束后国际航天界普遍认为会迎来静止轨道通信卫星应用的大爆发,因此美国、欧洲和日本都竞相发展新一代运载火箭,俄罗斯和中国则将发射报价低廉的质子火箭和长征三号火箭投入市场。美国研制航天飞机降低发射费用的努力失败,1986年挑战者号航天飞机事故后美国空军和航天局分道扬镳,并在20世纪90年代主导研制了渐进一次性运载火箭(EELV)。EELV包含两种运载火箭,分别是宇宙神5和德尔塔4,在2002和2003年先后投入使用,服役型号的最大运载能力分别是近地轨道19吨和22.5吨,同步转移轨道8.7吨和13吨。

欧洲航天局新研制的阿里安5运载火箭于1996年首次发射,其同步转移轨道运载能力约6.2吨,近地轨道运载能力约16吨。阿里安5继续发展出5G+,5GS、5ES和5ECA等型号,最新的阿里安5ECA火箭运载能力达到了同步转移轨道10.5吨,用于发射自动转移飞行器的阿里安5ES火箭的近地轨道运载能力达到了21吨,完全具备了和美俄主流运载火箭分庭抗礼的水平。

日本宇宙开发集团(NASDA)研制的H-II型运载火箭1994年首次发射,H-II火箭同步转移轨道运载能力约吨,近地轨道运载能力约10吨。由于H-II火箭发射成本高昂,宇宙开发集团转而研制新的H-IIA火箭,H-II火箭后来的连续失败加速了这一过程,2001年H-IIA火箭首次发射成功。H-IIA火箭使用模块化设计,通过捆绑不同的固体助推器覆盖主流的静止轨道通信卫星发射能力需求,其同步转移轨道运载能力从4到6吨不等。为了发射国际空间站所用的H-II火箭转移飞行器,日本进一步研制了H-IIB火箭,其同步转移轨道运载能力达到了8吨,国际空间站轨道运载能力约16.5吨。

美欧日德新一代运载火箭彻底摆脱了弹道导弹技术的影子,是为航天发射尤其是商业发射专门研制的运载火箭,具有通用化、组合化和系列化的特点,不仅使用了各种新技术,还显著降低了发射费用。虽然技术上有所不如,但俄罗斯的质子火箭在运载能力仍可与美欧日的新一代火箭媲美,同时发射报价要低得多。

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长征5号火箭将使用的50吨级YF-77氢氧发动机(图左)和120吨级YF-100液氧煤油发动机(图右)。这将可让长征5号的推力水平达到国外主流运载火箭的水平。

 火箭发动机技术制约中国火箭推力提高

相比之下中国运载火箭就要逊色得多,1997年首次发射成功的长征三号乙运载火箭的同步转移轨道运载能力仅有5.1吨,长征二号E火箭的近地轨道运载能力仅有9.2吨,与世界主流水平拉开了很大差距。

为了追赶国际先进水平,中国航天部门展开了新一代运载火箭的研究,其中长征五号大推力运载火箭2006年正式立项,计划2014年首次发射。长征五号火箭同样使用通用化、组合化和系列化设计,以50吨级YF-77氢氧发动机和120吨级YF-100液氧煤油发动机搭配组合,引入5米直径火箭箭体,设计方案覆盖了同步转移轨道运载能力6到14吨、近地轨道10到25吨的范围,最大运载能力达到了国外主流运载火箭的水平,但这并不意味着中国大推力运载火箭技术也达到同步的水平。长征五号火箭尤其是发动机等各种技术与发达国家仍然存在一定的差距,这是我们需要正视的现实。

中国现有的长征二号、三号和四号运载火箭的第一级、第二级设计大同小异,其主发动机是20世纪60年代开始研制的YF-20发动机及其衍生版本,YF-20发动机推力仅有75吨左右,这是制约现有长征火箭运载能力的核心因素。中国火箭发动机技术上与其他航天强国的差距,要比运载火箭的差距更大。

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中国长征火箭家族。中国未来如若要实现火箭技术的大幅度提升,那就必须研制技术水平更高,推力更大的新型火箭发动机。

中国火箭发动机技术全面落后

长征二号F火箭第一级就需要8台YF-20发动机但近地轨道运载能力仅为8.6吨,为了实现比肩航天强国的运载能力,近地轨道运力25吨的长征五号B构型和同步转移轨道运力14吨的E构型第一级都要使用2台YF-77外加8台YF-100发动机,第一级发动机数量比现有长征二号F进一步增加。

拥有大推力火箭发动机的航天强国新一代火箭则要强得多,美国重型德尔塔4使用了地面推力300吨的大推力氢氧发动机RS-68,整枚火箭只需要3台RS-68外加1台RL10B-2发动机,即可达到200千米圆轨道25吨的近地轨道运载能力。从未获得订货的重型宇宙神5火箭近地轨道运载能力可达29吨,它使用地面推力390吨的RD-180液氧煤油发动机,整枚火箭只需要3台RD-180和1台RD10A-4发动机。

国际空间站轨道运力达到21吨的欧洲航天局阿里安5ES火箭也仅需要1台火神2、2台固体助推器和1台上面级发动机,其中固体助推器推力约660吨提供了起飞的绝大部分推力。对比美欧航天强国,中国缺少大推力高比冲的氢氧发动机,缺少大推力液氧煤油发动机和大推力的固体发动机,长征五号的YF-77和YF-100发动机仍然存在推力偏小的问题,这导致火箭设计复杂化,将降低火箭的固有可靠性。

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天宫一号发射后,中国在2020年建设真正空间站也就此步入了轨道。不得不提的是,目前的长征系列火箭推力是无法满足届时空间站建设的要求,因为届时需要发射质量达到20吨的载人舱室。因此为了在大推力运载火箭技术上追赶航天强国,同时也为了满足未来载人登月和空间站建设等需求,中国已经开始了新一代大推力发动机的研制。

航天科技六院十一所积极进行300吨和600吨液氧煤油发动机的预研论证,六院北京十一所也在论证200吨级推力的液氢液氧发动机研究,航天科技四院则积极展开360吨、500吨级推力固体发动机的研制,并对千吨级固体发动机进行预研。预定2014年发射的长征五号火箭将在运载能力媲美欧美列强,而新一代大推力火箭发动机的研制,将使中国大推力运载火箭在技术上也达到世界先进水平。

冯家杰 本文来源:网易军事 作者:松鼠 责任编辑:王晓易_NE0011
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