長征五號(hào)大推力火箭：讓中國火箭重新比肩歐美

長征五號(hào)大推力火箭：讓中國火箭重新比肩歐美長征五號(hào)運(yùn)載火箭是中國正在研制的新一代運(yùn)載火箭，目前已經(jīng)轉(zhuǎn)入型號(hào)的初樣研制階段。長征五號(hào)在技術(shù)上是全新的火箭，相比以往的中國火箭的運(yùn)載能力有成倍的提高。它研制成功后將改變目前中國火箭大幅度落后于世界運(yùn)載火箭先進(jìn)水平的局面。中國官方去年在國際宇航聯(lián)大會(huì)上發(fā)布的最新的空間站模擬圖。這類空間站的核心艙只能由大推力火箭來發(fā)射。5月31日上午，世界宇航聯(lián)合會(huì)和中國宇航學(xué)會(huì)聯(lián)合舉辦的世界月球會(huì)議在北京開幕，對比紙面上還在規(guī)劃的登月探月計(jì)劃，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院副院長魯宇接受采訪時(shí)又一次聲明中國將于2014年首次發(fā)射新一代長征五號(hào)運(yùn)載火箭，同日與會(huì)的中國探月工程副總師于登云接受采訪時(shí)也提到了新型大運(yùn)載火箭的話題，一時(shí)間中國新一代運(yùn)載火箭成為熱門話題。[詳細(xì)新聞：長征五號(hào)火箭2014年首次發(fā)射運(yùn)載能力翻倍]隨著中國航天事業(yè)的發(fā)展，對大型運(yùn)載火箭的需求越來越多。航天五院的東方紅四號(hào)衛(wèi)星質(zhì)量已經(jīng)達(dá)到了5.1噸，下一代的東方紅五號(hào)通信衛(wèi)星將達(dá)到更大的6.5~7噸，這已經(jīng)遠(yuǎn)超中國目前同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力最大的長征三號(hào)乙5.5噸的運(yùn)載能力；中國載人航天工程在2017年后將進(jìn)行大型空間站的建設(shè)，核心艙質(zhì)量將達(dá)到20噸級(jí)別，這更遠(yuǎn)超現(xiàn)有長征二號(hào)F火箭9.2噸的LEO軌道運(yùn)載能力；嫦娥探月工程在完成嫦娥一號(hào)二號(hào)的繞月，三號(hào)四號(hào)的落月后，采樣返回的三期工程也需要更大運(yùn)力的火箭才能實(shí)現(xiàn)；再往后10年在深空探測方面，對火星，木星，近地小行星和小行星帶探測，也需要更大運(yùn)力的運(yùn)載火箭。因此發(fā)展大推力火箭，改變目前大幅度落后于世界運(yùn)載火箭先進(jìn)水平的局面，也是迫在眉睫。中國YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的推力在同類發(fā)動(dòng)機(jī)中偏低。YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)研制歷程按照設(shè)計(jì)，新一代的長征五號(hào)火箭在芯級(jí)上使用的是YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，而助推器則使用的是YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，這兩款發(fā)動(dòng)機(jī)都是屬于全新研制的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。實(shí)際上中國航天動(dòng)力部門很早就對新一代運(yùn)載火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行了預(yù)研，上世紀(jì)80年代張貴田院士就提出發(fā)展高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的設(shè)想，幾經(jīng)努力863計(jì)劃將液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)列入規(guī)劃。1988年他率領(lǐng)隊(duì)伍開始研究性試驗(yàn)，到1990年全面開展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，1990年還從前蘇聯(lián)引進(jìn)了2臺(tái)RD-120高壓補(bǔ)燃液氧沒有發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行原理研究，此后1995年進(jìn)行全系統(tǒng)發(fā)動(dòng)機(jī)試車。以此為基礎(chǔ)中國開始開發(fā)國產(chǎn)YF-100高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，1998年動(dòng)力部門取得渦輪泵聯(lián)試的成功，為開展高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)鋪平了道路，1999年120噸地面推力的大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)正式立項(xiàng)，這就是后來人們熟知的YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)。YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)推力略顯不足從技術(shù)上說，YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)并不突出。YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)地面推力約120噸地面比沖約300秒，真空推力約136噸比沖約335秒，噴口直徑約1.4米。YF-100推力在高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)中屬于偏下水平，比蘇聯(lián)時(shí)代開發(fā)的的RD-171/180//191都要小得多，比參照的原型RD-120發(fā)動(dòng)機(jī)倒是高出50%以上。雖然燃燒室壓力略低，但比沖上YF-100和先進(jìn)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)如RD-180/191處于伯仲之間。總體技術(shù)上說YF-100的技術(shù)起點(diǎn)和檔次相當(dāng)不錯(cuò)，只是推力偏小，而且為了兼容3.35米和2.25米直徑箭體的原因，無法改動(dòng)噴管設(shè)計(jì)。自立項(xiàng)以來，YF-100早期雖然發(fā)生過試車事故，但進(jìn)度還是很不錯(cuò)的，2005年完成300秒長程搖擺整機(jī)試車，2006年先后完成400秒試車和首次600秒長程搖擺試車。迄今為止，YF-100的總試車時(shí)間已經(jīng)超過了2萬秒。對比實(shí)際使用中僅工作160秒，YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性已經(jīng)得到了充分的檢驗(yàn)。YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)盡管研制過程曲折但性能仍不理想(左圖)。長征五號(hào)在芯級(jí)上使用的是YF-77，而助推器則使用的是YF-100，注意紅圈處(右圖)。中國艱難研制氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)如果說液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)還有參照的話，那作為新一代運(yùn)載火箭芯級(jí)的液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)可算得上白手起家了。中國研究氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)開展得很早，1970年就開始第一臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)YF-70的研制，但是由于基礎(chǔ)工業(yè)落后和低溫氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的高難度，發(fā)展道路艱辛無比，歷經(jīng)13年研制后，才在1984年進(jìn)行了YF-73氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的首次發(fā)射。盡管氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)首次使用的時(shí)間上領(lǐng)先于日本，但YF-73只是長征火箭二級(jí)游動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)YF-23的氫氧版本，并非專門設(shè)計(jì)的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的立項(xiàng)中國第一臺(tái)專業(yè)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的使用，則要到1994年2月8日長征三號(hào)甲運(yùn)載火箭首次發(fā)射成功了，長征三號(hào)甲使用YF-75氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，這也是目前長征三號(hào)甲、乙、丙迄今為止的唯一可選的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。不過，1994年2月3日日本H-II火箭首次發(fā)射成功，標(biāo)志著LE-7大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)開始投入使用。為了追趕世界先進(jìn)水平，上世紀(jì)90年代中國開始大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作，在縮比試驗(yàn)階段也試圖使用LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)一樣的高壓補(bǔ)燃循環(huán)方式，在1997~1998年進(jìn)行了多項(xiàng)試驗(yàn)達(dá)到了實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?dāng)時(shí)規(guī)劃的分級(jí)燃燒循環(huán)大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)代號(hào)YF-78。此后不清楚是技術(shù)難度太大，還是歐空局火神/火神和美國RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的影響，中國大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)最終采用了燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)設(shè)計(jì)，地面推力50多噸，代號(hào)YF-77，于2001年正式立項(xiàng)。YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)70噸的真空推力與美國RS-68的344噸真空推力相比差距甚遠(yuǎn)。YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)比沖偏低YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)距離世界先進(jìn)水平更遠(yuǎn)一些，其地面推力約52噸比沖約310秒，真空推力約70噸比沖約426秒，噴口直徑約1.45米。從推力上說，YF-77可以說是新一代運(yùn)載火箭氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中推力最小的型號(hào)，不僅無法與德爾塔IV火箭RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)的344噸真空推力相比，也遠(yuǎn)低于阿里安5上火神2發(fā)動(dòng)機(jī)的137噸真空推力和日本H-IIA/B火箭上LE-7A的112噸真空推力。當(dāng)然，YF-77的推力不足在現(xiàn)有設(shè)計(jì)下影響不大，長征五號(hào)最大運(yùn)載能力的構(gòu)型也僅僅是使用了2臺(tái)YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)，并不構(gòu)成可靠性問題。不過在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖上，YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)就偏低了。美國的RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)針對大氣層內(nèi)飛行環(huán)境做了優(yōu)化，地面比沖高達(dá)359秒接近了航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)(SSME)的水平。日本的LE-7A發(fā)動(dòng)機(jī)采用分級(jí)燃燒循環(huán)，在比沖上天然的對燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)有優(yōu)勢，真空比沖442秒。綜合的說，YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上大致相當(dāng)于歐空局火神發(fā)動(dòng)機(jī)的水平。YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)自2001年正式立項(xiàng)以來進(jìn)度上不盡人意，雖然2005年、2006年和2007年分別實(shí)現(xiàn)50秒、200秒和500秒的單次試車時(shí)間，但是試車中問題很多。好在目前YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了超過1萬秒的試車時(shí)間，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)試車時(shí)間達(dá)到了5000秒，按現(xiàn)有進(jìn)度足夠保證2014年長征五號(hào)首飛。YF-75D上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)長征五號(hào)火箭發(fā)射LEO軌道載荷時(shí)，使用一級(jí)半的結(jié)構(gòu)，GTO軌道則使用二級(jí)半結(jié)構(gòu)，在原有的YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)芯級(jí)之上增加了使用YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)的上面級(jí)。YF-75D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是中國新一代上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，采用膨脹燃燒循環(huán)，以現(xiàn)有資料判斷水平和歐空局的Vinci發(fā)動(dòng)機(jī)相當(dāng)，但推力只有Vinci的一半。從技術(shù)上說，YF-75D比日本現(xiàn)有的LE-5B和印度新開發(fā)的國產(chǎn)低溫上面級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)CE-7.5/CUS要強(qiáng)得多，不過也正因?yàn)槿绱?，筆者很懷疑YF-75D能否趕上2014年長征五號(hào)的首次發(fā)射。長征五號(hào)火箭通過多種組合形成不同的構(gòu)型，因此今后具有較全各級(jí)推力火箭體系，避免了大馬拉小車的情況。隨著火箭發(fā)動(dòng)機(jī)日益成熟，發(fā)展新一代運(yùn)載火箭的呼聲越來越高，2006年中央專委批準(zhǔn)新一代運(yùn)載火箭立項(xiàng)，2007年國防科工委批準(zhǔn)啟動(dòng)研制計(jì)劃。新一代運(yùn)載火箭的發(fā)展趨勢上使用模塊化系列化設(shè)計(jì)，力圖提高可靠性，降低發(fā)射成本，更好的滿足航天發(fā)射的需求。新一代運(yùn)載火箭的技術(shù)可以歸納為：一個(gè)重點(diǎn)、兩種動(dòng)力系統(tǒng)、三個(gè)模塊，即以發(fā)展5米直徑芯級(jí)的大型運(yùn)載火箭作為重點(diǎn)，發(fā)動(dòng)機(jī)采用50噸級(jí)推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和120噸級(jí)推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)這兩種全新的動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)展了5米直徑、3.35米直徑和2.25米直徑箭體為基本模塊，通過不同模塊的組合，形成系列化通用化組合化的新一代運(yùn)載火箭系列。早期的新一代運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)中包含5米、3.35米和2.25米三種直徑為芯級(jí)的火箭，三種火箭合計(jì)14種構(gòu)型，統(tǒng)一在長征五號(hào)的型號(hào)下，可謂家族龐大，不過只有5米直徑芯級(jí)的運(yùn)載火箭使用氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。多種組合方式的長征五號(hào)在后繼發(fā)展中，5米直徑火箭2006年正式立項(xiàng)獲得了長征五號(hào)的編號(hào)，預(yù)定2014年首次發(fā)射。它使用2臺(tái)YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)做為5米直徑芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，外部捆綁總計(jì)4個(gè)3.35米和2.25米助推模塊，3.35米和2.25米模塊分別使用2臺(tái)和1臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。通過捆綁類型不同的助推模塊，長征五號(hào)各種構(gòu)型覆蓋了GTO6-14噸，LEO10-25噸的運(yùn)力范圍。長征五號(hào)的推力將超過歐空局的阿里安5型火箭，不過如果與美國土星五相比仍是大巫見小巫。長征五號(hào)綜合性能比肩歐美火箭在火箭綜合指標(biāo)上說，長征五號(hào)的LEO軌道運(yùn)載能力不僅超過了歐空局阿里安5和日本H-IIA/B，也超過阿特拉斯V火箭和俄羅斯的安加拉火箭，尤其是由于文昌發(fā)射場緯度較低外加高性能氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)勢，在GTO軌道運(yùn)載能力上以14噸對7.5噸的優(yōu)勢遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過安加拉火箭。雖然運(yùn)載能力只是火箭水平的一部分，但能后來居上也不易，至少比印度研制全新的GSLVMKIII火箭，LEO只有10噸運(yùn)力GTO不到4.5噸要好得多?；鸺圃焓褂们把丶夹g(shù)和最新材料具體的火箭制造技術(shù)上，長征五號(hào)火箭推進(jìn)劑儲(chǔ)箱開始使用2219鋁合金，這是美國土星五號(hào)火箭到航天飛機(jī)，蘇聯(lián)能源火箭和歐日新一代運(yùn)載火箭廣泛使用的材料。箭體加工上使用了先進(jìn)的攪拌摩擦焊(FSW)，這是1991發(fā)明，1998年美國才在運(yùn)載火箭上首次使用的焊接技術(shù)，日本則是2009年H-IIB火箭才首次使用，攪拌摩擦焊和輕質(zhì)鋁合金的使用減輕了結(jié)構(gòu)質(zhì)量，提高了運(yùn)載能力。此外長征五號(hào)火箭還是用了電氣一體化設(shè)計(jì)與冗余，光纖通道火箭控制系統(tǒng)總線等先進(jìn)技術(shù)，這些點(diǎn)點(diǎn)滴滴的進(jìn)步奠定了新