長征九號(hào)：重型火箭在路上

尹懷勤

回眸2015年，中國航天進(jìn)行了19次發(fā)射，將45顆各類衛(wèi)星送入太空，成功率達(dá)到100%。2016年，中國航天將迎來新一輪的發(fā)射高峰，尤其是新一代運(yùn)載火箭長征五號(hào)和長征七號(hào)將先后首飛。

按照運(yùn)載能力，運(yùn)載火箭可分為小型、中型、大型和重型四類。我國一般將近地軌道運(yùn)載能力為2噸及其以下的火箭稱為小型運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力為2～20噸的火箭稱為中型運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力為20～50噸的火箭稱為大型運(yùn)載火箭，近地軌道運(yùn)載能力為50噸及其以上的火箭稱為重型運(yùn)載火箭。長征五號(hào)系列中的B型可以達(dá)到大型運(yùn)載火箭，那么，我國的重型運(yùn)載火箭研制進(jìn)展如何呢？

長征九號(hào)的構(gòu)型

要實(shí)現(xiàn)載人登月和載人著陸火星以及重大的深空探測等目標(biāo)，就需要重型運(yùn)載火箭。目前，中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院已經(jīng)啟動(dòng)重型運(yùn)載火箭長征九號(hào)（CZ-9）的關(guān)鍵技術(shù)研制，主要包括兩個(gè)方面：一是總體技術(shù)，二是發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)，從而實(shí)現(xiàn)重型火箭起飛推力在長征五號(hào)大型火箭1000噸的基礎(chǔ)上提升至3000噸以上的目標(biāo)，這無疑是一步巨大的跨越。

長征九號(hào)將采用直徑達(dá)9米的芯級火箭和周圍對稱地捆綁著4個(gè)直徑為3.35米的助推器而組成。芯級一級為4臺(tái)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-460，每臺(tái)推力為460噸，二級為一臺(tái)推力220噸的液氧液氫發(fā)動(dòng)機(jī)YF-220，每個(gè)助推器各裝一臺(tái)YF-460發(fā)動(dòng)機(jī)?；鸺傮w為兩級半結(jié)構(gòu)，全長近100米，起飛質(zhì)量達(dá)到3000噸。發(fā)射時(shí)芯級一級和4臺(tái)助推器同時(shí)點(diǎn)火，起飛推力達(dá)到3680噸，近地軌道運(yùn)載能力達(dá)到100噸以上，地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力至少50噸，與美國多次成功發(fā)射阿波羅載人登月飛船的土星五號(hào)火箭運(yùn)力相近。

已經(jīng)攻克的技術(shù)難題

根據(jù)長征九號(hào)關(guān)鍵技術(shù)的預(yù)研計(jì)劃，將力爭用4～5年時(shí)間突破火箭總體設(shè)計(jì)，以及460噸液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、220噸氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和9米左右直徑火箭箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)制造等關(guān)鍵技術(shù)；用約15年的時(shí)間完成整個(gè)火箭的研制，爭取在2030年前后從海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心實(shí)現(xiàn)首飛。

隨著重型運(yùn)載火箭氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)大流量單噴嘴試驗(yàn)取得成功，使得該型發(fā)動(dòng)機(jī)大流量高效穩(wěn)定燃燒成為可能，從而在長征九號(hào)重型運(yùn)載火箭研制的萬里長征路上邁出第一步。

由于長征九號(hào)重型火箭采用超大直徑9米箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，位于連接貯箱的筒段、前后底與火箭的箱間段之間的過渡環(huán)直徑很大，是傳力的關(guān)鍵部位，承載力強(qiáng)，受力較集中。以往型號(hào)產(chǎn)品的過渡環(huán)通常采用分段式鍛造，把各部段之間焊接起來。重型火箭的過渡環(huán)直徑大，界面形式特殊且復(fù)雜，對其強(qiáng)度要求較高，焊接時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生瑕疵，在未來執(zhí)行任務(wù)過程中，可能會(huì)因受力狀態(tài)復(fù)雜，遭到難以預(yù)料的破壞。從增強(qiáng)工程安全性出發(fā)，必須采用整體鍛造法制備過渡環(huán)。據(jù)媒體披露，這一技術(shù)瓶頸近期也已被攻破。采用整體鍛造法制備超大直徑過渡環(huán)的技術(shù)在國際上尚屬首創(chuàng)，從而為超重火箭后續(xù)研制的順利開展奠定了基礎(chǔ)。

長征九號(hào)的性能

為了降低結(jié)構(gòu)重量，長征九號(hào)火箭的推進(jìn)劑貯箱將使用輕質(zhì)高強(qiáng)度的鋁鋰合金，級間段和整流罩使用復(fù)合材料；火箭電氣和控制系統(tǒng)將使用故障診斷系統(tǒng)?；鸺茖?dǎo)系統(tǒng)將使用捷聯(lián)慣導(dǎo)加衛(wèi)星導(dǎo)航加星光導(dǎo)航的先進(jìn)復(fù)合制導(dǎo)方案，軟件方面使用攝動(dòng)加迭代的制導(dǎo)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。采用這些先進(jìn)技術(shù)將顯著提高長征九號(hào)重型運(yùn)載火箭的性能。

長征九號(hào)重型火箭的設(shè)計(jì)既考慮了使用新技術(shù)升級現(xiàn)有火箭等因素，又顧及到充分利用現(xiàn)有試驗(yàn)設(shè)備和成熟技術(shù)。比如，未裝逃逸塔和整流罩時(shí)的長征九號(hào)火箭全長約88米，早已建成的天津新一代大型運(yùn)載火箭基地的93米高度全箭振動(dòng)塔足以對其進(jìn)行全箭振動(dòng)試驗(yàn)。

長征九號(hào)火箭總體設(shè)計(jì)上也有很多優(yōu)點(diǎn)，如芯級一級使用大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，并繼承現(xiàn)有長征火箭芯級推質(zhì)比大于1可獨(dú)立使用的風(fēng)格。我國未來在用長征九號(hào)實(shí)施載人登月等大項(xiàng)目的同時(shí)，還可獨(dú)立使用其芯級發(fā)射其他航天器。因?yàn)樾炯壉旧砭褪墙剀壍肋\(yùn)載能力約50噸級的重型運(yùn)載火箭，可用于近地軌道或是靜止軌道的超大載荷發(fā)射任務(wù)，或是一箭多星發(fā)射大型通信衛(wèi)星，這就避免了土星五號(hào)用途過于單一的弊端。

人類探索太空的能力，基本上取決于火箭的推力?？梢灶A(yù)見，長征九號(hào)火箭未來不僅將完成我國載人登月的壯舉，它的衍生型號(hào)還將把我國運(yùn)載火箭技術(shù)水平提高到一個(gè)新的高度。

【責(zé)任編輯】龐 云