未来火箭之王 长征九号总师首次详解中国重型火箭

原标题:未来火箭之王!长征九号总师首次详解中国重型火箭

新京报讯(记者 倪伟)2018年初,美国猎鹰重型火箭首飞成功,将一辆红色特斯拉跑车送入地火转移轨道。这次发射虽然颇具娱乐性,但航天界普遍认为,这预示着一个新的重型火箭时代的到来。

“冷战”期间,美苏军备竞赛带来了第一个重型火箭时代。美国用近地轨道118吨、月球轨道45吨运载能力的土星五号,将12名航天员送上月球。苏联也研制出了媲美土星五号、近地轨道运载能力100吨以上的能源号火箭。

但随着“冷战”结束,全球运载火箭暂别重型时代。如今,载人探月、载人探火、深空探测、大型空间设施建设需求的兴起,激发着人类再次将目光投向重型火箭。

中国重型火箭经历几年“犹抱琵琶半遮面”后,最近一年多来被确认命名为“长征九号”,因为“九”是最大的个位数。中国目前运载能力最大的长征五号火箭,近地轨道运载能力为25吨,而长征九号最高能达到140吨,是长五的5倍以上。中国计划2022年建成的“天宫”空间站,总重量约90吨,长征九号一次就可以将1.5个空间站的重量整体送入轨道。

2016年10月,长征五号火箭在海南文昌发射场准备首飞。新京报记者 倪伟 摄2016年10月,长征五号火箭在海南文昌发射场准备首飞。新京报记者 倪伟 摄

“科幻级”的中国未来火箭之王,何时能走入现实?昨天(10月31日),在航天科技集团第十二届珠海航展媒体通气会上,来自航天科技集团一院的长征九号火箭总设计师张智表示,计划在2028年至2030年首飞,目前研制进展顺利。

即将于11月6日~11日举办的珠海航展上,长征九号将作为中国新一代运载火箭中的一员,向公众推介。

技术思路与SpaceX重型火箭不同

张智不仅是长征九号总设计师,也是我国航天员“御用”火箭长征二号F的总设计师。昨天,他首次公开介绍了长征九号的有关情况。

长征九号的研制,瞄准载人月球探测、火星取样返回、大型空间设施建造等需求,近地轨道运载能力50~140吨,奔月转移轨道运载能力15~50吨,奔火转移轨道运载能力为12~44吨。

不同的运载能力,是火箭不同构型带来的。“长征九号是一个系列火箭,可以搭配4个、2个或0个助推器,形成三种构型,以此具备阶梯式的运载能力。”张智介绍。

长征九号高度超过90米,箭体直径为10米级,芯一级配置4台500吨级推力高压补燃液氧煤油发动机,芯二级配置2台220吨级推力高压补燃氢氧发动机,芯三级配置4台25吨推力膨胀循环氢氧发动机,每个助推器配置2台液氧煤油发动机。

这是长征九号与美国SpaceX公司的猎鹰重型火箭,以及该公司计划将游客送往月球轨道的BFR火箭的不同之处。猎鹰重型火箭发射起飞时依靠27台发动机同时点火提供推力,BFR则将发动机数量增加到31台,都是多台小推力发动机并联的技术思路。然而发动机之间会产生耦合影响,这种技术路径也被认为蕴藏着较大风险。

2018年2月7日,猎鹰重型火箭在美国肯尼迪航天中心成功发射。来源SpaceX官网2018年2月7日,猎鹰重型火箭在美国肯尼迪航天中心成功发射。来源SpaceX官网

长征九号则依靠为数不多的几台大推力发动机提供起飞动力。推力最大的构型起飞时,芯一级与助推器发动机加起来也只有12台,风险随之降低。

明年年中完成500吨级发动机整机装配

长征九号首飞,还要等待10年。根据国家国防科工局此前公开的信息,其首飞时间预计在2028年前后。

而首飞只是重型火箭项目的第一阶段。张智介绍,重型运载火箭的发展将分三个阶段。第一阶段将在2028年至2030年完成,主要任务是完成系列构型模块的研制,实现火箭首飞,使我国进入空间能力达到国际先进水平,满足火星取样返回、载人月球探测等重大工程的需求。

其后进行的第二个阶段,进一步完善重型火箭系列化构型,并进行应用飞行,同时利用可重复使用技术进一步降低火箭成本。

到了第三个阶段,研制人员将研发更新的技术,例如新材料、新动力等,提高运载能力和技术水平。火箭也将提高对载人登火、空间太阳能电站等更大规模空间探测任务和基础设施建设的适应性,支撑我国全面建成航天强国。

长征九号项目可以追溯到8年前,国家国防科工局于2010年正式启动了重型火箭论证工作;2015年启动关键技术攻关及方案深化论证阶段(以下简称关深阶段)研制工作,并取得系列初步成果;2016年,重型运载火箭关深阶段正式立项。

关深阶段立项后,总体方案深化论证和以“重型运载火箭总体技术”“大推力液氧煤油发动机技术”“大推力液氢液氧发动机技术”“大直径箭体结构设计、制造及试验技术”为代表的12项重大关键技术攻关随即开展。

“虽然难度很大,但目前研制比较顺利。”张智介绍,重型火箭总体方案已经通过了集团级专家评审,各分系统方案基本明确。关键性的500吨级液氧煤油发动机也进展顺利,预计2019年6月将完成首台发动机整机装配,具备短程试车条件。大直径贮箱基本完成零部组件的研制攻关, 2019年将完成大直径贮箱和集中力壳段的研制。

长征九号作何用?目标是月球、火星和星辰大海

重型运载火箭的运载能力,是实施月球探测和深空探测、开展大型空间基础设施建设和空间资源开发利用的重要基础,可极大地提升我国开发利用空间和维护太空安全的能力。

“谁得到了太空,谁就得到了未来。进入空间能力有多大,航天发展的舞台就有多大。”张智说,重型火箭正是各国在未来太空赛跑中的基本能力。

长征九号效果图。来源央视新闻长征九号效果图。来源央视新闻

从最近的星球——月球来看,长征九号可用于载人登月、月球科研站的建设。瞄准载人登月,我国正在研发另一型尚未命名的新一代载人运载火箭,而长征九号无疑有着更为强大的向月球轨道的投送能力。

再看向火星,长征九号足以通过一次任务完成火星的取样并返回。张智说,这使我国有望成为首个完成火星采样返回的国家,并为载人登火储备技术和能力,使我国深空探测能力达到世界航天强国水平。同时,在太阳系其他星球探测中,也将依靠重型火箭提供发射探测器的能力。

长征九号还可以发射其他大型航天器,承担超大型飞行器、空间太阳能电站、超大型可重构综合卫星等航天器的发射。

张智说,初步统计表明,2030年前后,重型火箭发射需求约有4~5次,2030~2035年发射需求约10次;到2050年发射需求更多。“可见,发射需求已经比较紧迫,长远来看需求很旺盛。”

重型火箭将推动航天技术能力向前一大步

“美苏几十年前重型火箭搞得轰轰烈烈,后来不搞了。所以肯定有人问,现在我们搞重型火箭有什么意义呢?”昨天,张智自己抛出了问题。

张智解释,重型火箭需要的技术,不是将现在技术“攒”在一起就能解决的。它的研发,将带动一国设计、制造、材料等领域整体提升。

年初以发射特斯拉完成首秀的猎鹰重型火箭,在张智眼里就是一款“攒”出来的火箭,是在现有技术基础上制造的运载能力最大的火箭。“其实我们也能‘攒’出更大的火箭,近地轨道运载能力达到70吨没太大问题,但现在没有这个需求,猎鹰重型在首飞之后也没任务了。”

相对于赶时间、秀能力,重型火箭更重要的意义在于,以项目为牵引,扎扎实实努力,可以使整个航天技术水平向前走一大步。就像几十年前中国“两弹一星”和美国“阿波罗计划”那样。

“举个简单的例子,现在火箭发射时很复杂,要连着脐带塔供气,就像设备带着充电器才能运行一样。未来会让火箭自主化、智能化,这都是我们在新火箭研发中努力实现的。”张智说。

第一个重型火箭时代,由军备竞赛催生,而第二个重型火箭时代,源于人类对更深远宇宙的探索欲望。张智认为,各国开始发展重型火箭是必然趋势,人类不能总在地球附近“溜达“。

“现在大家畅想太空移民,目光着眼于月球、火星。更长远来看,人类若想离开太阳系,需要更强大的进入空间能力、化学动力之外的新动力等等,这些早晚都是要考虑的。”张智说,“现在只是起步的一小段。”

起跑线附近正聚集着数个航天大国。他们利用各自新一代重型火箭,运送的不论是特斯拉、太空游客,还是一个真正的航天器,其实本质上,都是一张通向深空之门的入场券。

新京报记者 倪伟 编辑 吴娇颖

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