[科普中國]-長征九號運載火箭

長征九號重型火箭的出現(xiàn)絕非偶然。當前，美、俄積極搶占太空制高點，重啟重型運載火箭研制計劃。歐洲、日本、印度等也競相推進新型大運載火箭研究論證。中國同樣需要更大能力的運載火箭來自由進入太空。雖然長征五號運載火箭已經(jīng)首飛成功，達到世界先進水平，但載人登月需要運力更大的火箭。6規(guī)劃中長征九號火箭技術跨度大，強大的性能更是讓人難以忘懷。其運力和美國土星五號火箭大致相當，超過正在研制的美國下一代運載火箭（SLS）的運載能力，完全可以滿足未來載人月球探測、火星取樣返回、太陽系行星探測等多種深空探測任務需求，保障中國在未來宇宙探索和更大更遠空間的話語權。7

長征九號火箭還處于研制早期的可行性論證階段，航天部門不僅要向政治領導人闡述它在登月項目中的必要性和使用上的擴展能力，更要說服他們長征九號火箭是一個經(jīng)濟上可承受的項目。中國重型運載火箭數(shù)年來方案的變遷，可以說是從不切實際的誘人夢想，到腳踏實地的扎實設計的過程。

參照美國的阿波羅的土星五號火箭和星座計劃的戰(zhàn)神五號火箭，我國長征九號火箭論證初期運力指標瞄準了戰(zhàn)神五號的130噸運力。9早期論證中曾提到研制600噸級液氧煤油發(fā)動機和200噸級液氫液氧發(fā)動機，甚至提出了使用千噸級固體助推器的方案。龍樂豪院士的論文中，以這三種火箭發(fā)動機構成兩種二級半構型組合，其近地軌道運力均為130噸，和戰(zhàn)神五號的設計指標相當。9

隨著論證的深入，結合我國實際需求和技術水平，長征九號的指標有了不小的調(diào)整。根據(jù)2013年航天科技集團六院院長譚永華發(fā)表在《宇航學報》上的論文，我國以載人登月為目標進行了重型火箭的論證，考慮我國航天發(fā)展需求、技術保障和工業(yè)體系，以及動力型譜發(fā)展等因素，最后決定研制500噸級液氧煤油發(fā)動機（或480噸級液氧煤油發(fā)動機）和200噸級液氫液氧發(fā)動機（或220噸級氫氧發(fā)動機），以此為主動力重型運載火箭采用三級半方案，其中4個助推器個采用1臺500噸級液氧煤油發(fā)動機，一級采用4臺500噸級液氧煤油發(fā)動機，二級使用2臺200噸級液氧液氫發(fā)動機，三級采用2臺50噸級液氧液氫發(fā)動機高空改進型。長征九號重型火箭的起飛推力約為4000噸，起飛質(zhì)量大約為3000噸，近地軌道運載能力約為100噸。9

2016年4月14日，在龍樂豪院士公開講課的PPT中，提到有關重型火箭的三種不同構型，三種構型采用模塊化、系列化、通用化設計。而在2016年10月的《深空探測學報》上的論文中再次提到了這一構型，其中助推器直徑擴大到5米，采用2臺480噸級液氧煤油發(fā)動機，起飛質(zhì)量達到約4000噸，起飛推力達近6000噸，近地軌道運載能力約為140噸。1012

目前，中國的重型運載火箭已完成深化論證，火箭先期關鍵技術攻關、方案深化論證工作于2016年6月正式批復立項，主要的攻關內(nèi)容為“一總三大”：一總即重型火箭的總體技術和方案優(yōu)化；三大即10米級大直徑箭體結構的設計、制造和試驗，480噸大推力的液氧煤油發(fā)動機，220噸大推力的氫氧發(fā)動機。如果一系列關鍵技術實現(xiàn)突破及相關工作進展順利，15年內(nèi)有望實現(xiàn)首飛。這將大幅提升中國自主進入空間的能力。7

2016年8月1日，航天六院研制的480噸級液氧煤油發(fā)動機已經(jīng)完成了首次發(fā)生器-渦輪泵聯(lián)試，試驗達到了預期目的，通過試驗驗證了發(fā)動機系統(tǒng)和組件方案的可行性，標志著480噸液氧煤油發(fā)動機研制關鍵技術攻關取得突破性進展。42017年將開展第二次聯(lián)動試驗，計劃在2018年年底開展發(fā)動機整機試驗。

2017年3月，由航天六院11所研究設計的500噸級液氧煤油發(fā)動機高壓燃料搖擺裝置完成了首次高壓搖擺試驗，達到既定目標，取得圓滿成功，為深化500噸級液氧煤油發(fā)動機燃料搖擺裝置方案奠定了良好的基礎。11

220噸級高性能氫氧發(fā)動機已完成了多個組件方案詳細設計，進行了組件的研制試驗工作。4

備注：

1.資料來源：

我國航天運輸系統(tǒng)成就與展望12

龍樂豪有關重型火箭PPT（見圖“龍樂豪提出的三種構型”）10

意義巨大的長征九號運載火箭9

孫紀國有關航天運載火箭及氫氧發(fā)動機的報告（見圖“孫紀國有關中國重型運載火箭的PPT”）

2.此參數(shù)為理論數(shù)據(jù)，僅供參考。

3.軌道縮寫對照：

LEO：近地軌道（Low Earth orbit）

GTO：地球同步轉移軌道（Geostationary Transfer orbit）

LTO：地月轉移軌道（Lunar Transfer orbit）

MTO：地火轉移軌道（Mars Transfer orbit）

LEO140噸級方案

火箭采用“通用化、系列化、組合化”發(fā)展策略，三個構型的對應結構狀態(tài)相同，可模塊化組合?？衫壱后w助推器，也可以捆綁固體助推器。12

火箭采用三級半構型，最多可捆綁4個5米直徑采用2臺480噸級液氧煤油發(fā)動機的助推器，一級采用4臺480噸級液氧煤油發(fā)動機（無助推構型為5臺發(fā)動機），二級使用2臺220噸級液氧液氫發(fā)動機，三級采用2臺50噸級液氧液氫發(fā)動機高空改進型。

火箭全長約93米，芯級最大直徑為10米級，起飛推力約為5873噸，起飛質(zhì)量約為4137噸，近地軌道運載能力約為140噸，地月轉移軌道運載能力約為50噸。該方案近地軌道運載能力已超出美國登月使用的“土星5號”運載火箭和蘇聯(lián)“能源”號運載火箭。1012

LEO100噸級方案（舊方案）

火箭采用三級半方案，其中4個3.35米直徑助推器各采用1臺480噸級液氧煤油發(fā)動機，一級采用4臺480噸級液氧煤油發(fā)動機，二級使用2臺220噸級液氧液氫發(fā)動機，三級采用2臺50噸級液氧液氫發(fā)動機高空改進型。

火箭全長近100米，芯級直徑為10米級，起飛推力約為4000噸，起飛質(zhì)量大約為3000噸，近地軌道運載能力約為100噸，地月轉移軌道運載能力約為35噸。912

火箭通過模塊重組LEO運載能力可以達到125-130噸，很可能有一個4助推的基本型和一個6助推的增強型。9

長征九號重型運載火箭的結構尺寸和起飛質(zhì)量均將突破我國現(xiàn)有運載火箭能力水平，要打造這樣一個重量級火箭，科技人員要解決代表世界一流科研水平的更大推力液氧煤油發(fā)動機技術，更大推力液氫液氧發(fā)動機技術，更大直徑箭體設計、制造、試驗技術，以及火箭總體設計這“三大一總”為代表的一系列難題。7

長征九號火箭的芯一級采用直徑10米級箭體結構和新研480噸級液氧煤油發(fā)動機，芯二級將采用新型高性能220噸級液氫液氧發(fā)動機。10雖然大推力液氧煤油發(fā)動機對比早期方案進一步降低了指標，但其性能要高于俄羅斯RD-180先進大型液氧煤油發(fā)動機，屬于大型發(fā)動機的頂尖水平。13

大推力液氧煤油發(fā)動機推力選擇的合理化和助推器沿用3.35米直徑箭體的設計，還為設計類似美國AtlasV火箭的新一代運載火箭提供了可能。以單發(fā)480噸級液氧煤油發(fā)動機模塊為基礎，捆綁使用多個大推力固體助推器調(diào)節(jié)運力，重型型號由3個或5米3.35米助推器模塊組成，其設計遠比現(xiàn)有的長征五號和長征七號簡潔可靠，將構成地球低軌道運力覆蓋10~50噸的大型運載火箭家族，可將中國大型運載火箭的技術和性能提高到一個新的水平。由于較小運力需要使用固體助推器調(diào)節(jié)運力，這個設計方案還可以彌補長征九號火箭棄用大推力固體助推器對中國固體發(fā)動機生產(chǎn)帶來的不利影響。

長征九號重型火箭在其他方面技術上也有很大的提高，為了降低結構質(zhì)量，長征九號火箭的推進劑儲箱將使用輕質(zhì)高強度的鋁鋰合金，級間段和整流罩使用復合材料；火箭電氣和控制系統(tǒng)將使用故障診斷系統(tǒng)，還以此為基礎進一步實現(xiàn)火箭故障診斷和重構。火箭制導系統(tǒng)將使用捷聯(lián)慣導加衛(wèi)星導航加星光導航的先進復合制導方案，軟件方面使用攝動加迭代的制導律，此外火箭還將具備基于天基天鏈系統(tǒng)的遙測控制能力。這些先進的火箭技術將顯著提高長征九號重型運載火箭的性能，還將用于現(xiàn)有長征五號、六號和七號等運載火箭的升級。13

2008年的《航天推進專業(yè)發(fā)展》報告中，已經(jīng)提到了為滿足近地軌道100噸級運載能力和載人登月等大型航天活動，需要“動力先行”研制5000千牛級液氧/羥系統(tǒng)發(fā)動機方案和1500千牛級液氫液氧發(fā)動機方案，并開展3600千牛和5000千牛大推力分段式固體助推器的關鍵技術研究。同期《火箭推進》、《航空動力學報》和《宇航學報》等學術期刊上的論文，還不約而同的出現(xiàn)單室高壓補燃液氧煤油大推力發(fā)動機方案，大推力氫氧發(fā)動機的論證中甚至出現(xiàn)全流量分級燃燒循環(huán)的設計。無論是500噸級單室高壓補燃液氧煤油發(fā)動機，還是150噸級全流量分級燃燒液氧液氫發(fā)動機都是液體火箭發(fā)動機的巔峰之作，但回首YF-100尤其是YF-77坎坷的研制過程，選擇這樣的高性能發(fā)動機設計要承擔很大的風險。

可能是意識到開始的不切實際，隨后的論證中大推力火箭發(fā)動機的指標逐步合理化。2011年的論文中大推力液氧煤油發(fā)動機已經(jīng)改為3300千牛單室、6600千牛雙室的設計，這樣的設計雖然大幅度降低了解決燃燒不穩(wěn)定現(xiàn)象的難度，但6600千牛發(fā)動機對大功率推進劑渦輪泵的要求反而更高了。氫氧發(fā)動機的設計也同步轉向更具可行性的方案，提出了推力2000千牛的燃氣發(fā)生器循環(huán)氫氧發(fā)動機方案，它將使用單臺富氫燃氣發(fā)生器并聯(lián)驅動氫氧渦輪泵的設計，雖然性能平庸但技術難度較小，可以看作美國RS-68發(fā)動機的2/3縮比版。

在論證液體發(fā)動機的同時，航天動力研究院也提出了研制大推力固體助推器的設想，計劃用10年時間分別研制出500噸和1000噸級推力的分段式固體火箭發(fā)動機。中國航天動力院計劃用現(xiàn)有的2米120噸推力分段分別實現(xiàn)360噸和500噸推力。完成大型固體發(fā)動機技術演示后，進一步研制出3.5米直徑5分段的千噸級固體火箭發(fā)動機。13

480噸級液氧煤油發(fā)動機

480噸級液氧煤油高壓補燃發(fā)動機（或500噸級液氧煤油發(fā)動機）將用于火箭的芯一級和助推器。

220噸級液氫液氧發(fā)動機

采用燃氣發(fā)生器循環(huán)方案的220噸級液氫液氧發(fā)動機（或200噸級液氧煤油發(fā)動機），將用于火箭的芯二級。

25噸閉式部分膨脹氫氧發(fā)動機

25噸閉式部分膨脹氫氧發(fā)動機，將用于火箭的芯三級。9

龍樂豪在《關于中國載人登月工程若干問題的思考》中設想的中國載人登月二期工程中。工程的目標是在二十一世紀30年代使4~6人較長時間停留月面并安全返回，以滿足未來建立月球基地和載人登火星的需求。方案是由CZ-5A（或5M）發(fā)射載人艙，重型火箭（可能為論證中的長征九號運載火箭）發(fā)射轉移和貨物艙段，采用近地軌道交會，完成登月和返回。141516

縱觀國際航天大國載人航天和運載火箭的發(fā)展趨勢，研制重型運載火箭進一步提升運載火箭的運載能力，也成為各航天大國的共同選擇。我國航天事業(yè)曾經(jīng)被美國拒絕和壓制參加國際空間站建設，所以更有必要加快長征九號重型火箭的步伐。

長征九號運載火箭研制的目標，首先是滿足未來載人登月任務的需求，此外規(guī)劃中的火星取樣返回任務和（帶）外行星探測任務也需要這樣的重型運載火箭的參與。航天科技集團五院的錢學森實驗室熱衷的空間太陽能電站，同樣需要使用長征九號這樣的重型運載火箭才能發(fā)射和組建。