中國為大推力火箭“上弦”

我國千噸推力的長征五號運載火箭正在加緊研制，預(yù)計2014年首飛，發(fā)展大推力火箭的當務(wù)之急就是研發(fā)大推力發(fā)動機的問題。

文/記者 陳永杰??編輯 李金金?視覺設(shè)計 柴青艷?校對 肖園

??近日，中國運載火箭技術(shù)研究院黨委書記梁小虹對外透露，我國千噸推力的長征五號運載火箭正在加緊研制，預(yù)計2014年首飛。而運載能力上百噸、是現(xiàn)役運載火箭五六倍的重型火箭也進入論證。中國的大推力火箭之夢將在兩年后實現(xiàn)。

“土星五號”至今仍是傳奇

??神九飛天，中國首位女航天員進入太空，并首次實現(xiàn)了航天器的手動對接，中國載人航天工程又一次實現(xiàn)突破。但是在收獲喜悅的同時，相關(guān)專家冷靜地分析認為，目前中國大推力火箭的確與國外差距巨大，難以滿足中國載人航天工程的下一步建造空間站的能力。

?? “大推力火箭是建造空間站的首要前提，也是人類重返月球、登陸火星的必要條件。”北京大學地空學院教授焦維新告訴記者。

??提起大推力火箭，不得不提幫助人類實現(xiàn)登月夢想的“功勛火箭”——土星五號，它是上個世紀60年代美國實施阿波羅登月計劃時研發(fā)并使用的大推力火箭，它創(chuàng)造的多項“世界紀錄”至今沒有被打破：“最大起飛重量3038.5噸”、“最大推力達到3400噸”、“近地軌道運載能力118噸”、“ 月球軌道運載能力為47噸”。

??1968年12月21日，經(jīng)過兩次試驗飛行后，“土星五號”第一次執(zhí)行任務(wù)，把“阿波羅8號”送到距月面112公里的月球軌道，實現(xiàn)首次載人繞月飛行。

人類迄今為止所有的載人登月活動都與土星五號運載火箭有關(guān)，它共成功發(fā)射13次，讓12個人實現(xiàn)登月，表現(xiàn)堪稱完美。

但是，由于任務(wù)單一，花費巨大的客觀原因，土星五號運載火箭在完成阿波羅登月計劃后，不等不選擇退役。但不可否認的是，土星五號在運載火箭領(lǐng)域至今還無人能敵。

最近，土星五號再次“復(fù)蘇”。2011年9月14日，美國宇航局公布了研發(fā)大推力火箭計劃。新火箭從規(guī)模、形狀以及更加依賴液體燃料的特性來看繼承了土星五號火箭的傳統(tǒng)，而不同于剛剛退役的航天飛機。

??美國宇航局表示，新型火箭更擁有超過土星五號20%的推力。從有效載荷來看，新型火箭最終將提高到143噸，甚至165噸。相比之下，土星五號的載荷為130噸，航天飛機為27噸，目前規(guī)模最大的無人運載火箭為25噸。

N1火箭被掩蓋起來的夢想

?? 作為冷戰(zhàn)時代針鋒相對的對手，前蘇聯(lián)在上個世紀中期也積極研制大推力火箭，這就是“大名鼎鼎”的N1火箭，其在高度、質(zhì)量和有效負載上僅次于世界第一的土星五號。

??由前蘇聯(lián)航天界功勛人物謝爾蓋·科羅廖夫設(shè)計的N1-L3方案采用五級推進，前三級將飛船送入地球軌道，其余兩級用于地月推進。加滿燃料滿載情況下，N1-L3重2788噸。下面三級呈截錐體形，最下部受箭體內(nèi)燃料箱形狀的限制直徑只有約10米。一個較小的球形煤油箱在上部，較大的液氧箱在下部。上部分呈圓柱形，直徑4.4米。

??比起土星五號，N1火箭雖然推力更大，但它只能將95噸的物體送入低地球軌道，而土星五號可以運送130噸物體。這是由于N1全箭都以煤油做燃料，而美國對氫氧燃料的研究起步早，使得土星五號設(shè)計時選用了比較成熟的氫氧發(fā)動機，以此獲得了較高的效率。

與土星五號取得的輝煌成就相比，N1火箭的幾次發(fā)射試驗都沒有獲得成功，甚至還發(fā)生了嚴重的爆炸事故，造成了很大的人員傷亡。1969年7月3日，由于一顆松動螺柱被吸入燃料泵，導致控制系統(tǒng)停止了30臺中的29臺發(fā)動機，發(fā)動機停機23秒后火箭爆炸，炸毀了發(fā)射塔，成為火箭應(yīng)用史上最大規(guī)模的爆炸。只不過這一切由于前蘇聯(lián)采取了嚴格的保密措施，包括火箭研究計劃也是在近些年才得以曝光。

??資料顯示，在N1火箭第一級A段就采用了30臺NK-15發(fā)動機驅(qū)動，發(fā)動機排成兩個環(huán)，外環(huán)24臺，內(nèi)環(huán)6臺。這些發(fā)動機都是分級燃燒循環(huán)的先例。復(fù)雜的發(fā)動機群導致輸送推進劑的管道設(shè)計也很復(fù)雜，一旦其中一個發(fā)動機發(fā)生故障，就會影響火箭的正常工作，而這種極端脆弱的結(jié)構(gòu)是導致N1最后失敗的罪魁。

長征五號計劃2014年首飛

去年，中國首顆火星探測器“螢火一號”搭載在俄羅斯火箭發(fā)射，但是由于火箭發(fā)生故障，只能眼瞅著花費上億的探測器消失在茫茫宇宙空間，其主要原因就是我國的火箭運載能力還達不到將自己的探測器送入前往火星之路的軌道，只能“搭乘”別人的順風車，這是我們在航天技術(shù)上受制于人的具體體現(xiàn)。

??據(jù)資料顯示，這次發(fā)射“螢火一號”火星探測器的俄羅斯運載火箭“天頂－2SB”運載火箭，近地軌道最大運載能力是13.74噸，太陽同步軌道運載能力是11.38噸，都遠遠高于中國的長征二號捆綁式運載火箭，而中國載人航天工程所使用的唯一運載火箭是長征2F。長征2F火箭源于長征2E捆綁式火箭，最大運載能力只有8.5噸左右。

??“近地軌道運載能力是衡量運載火箭水平的一個重要指標，要實現(xiàn)建造空間站的目標，就需要把更多、更重的物品送到太空，國際上一般認為只有具備20噸的近地軌道運載能力才具備建造空間站的條件?！苯咕S新說。

??關(guān)于我國最終將建的空間站，中國工程院院士、原“神舟”號飛船總設(shè)計師戚發(fā)軔描述了空間站的大致模樣：它包括一個核心艙、一架貨運飛船、一架載人飛船和兩個用于實驗等功能的其他艙，總重量在100噸以下。其中的核心艙需長期有人駐守，能與各種實驗艙、載人飛船和貨運飛船對接。

??“只有具備了20噸以上運載能力的火箭，才有資格談?wù)摪l(fā)射核心艙，此外空間站在運行期間也需要大運載能力的貨運飛船來回運輸大量物資，而目前我國的火箭運載能力不到10噸，還不能滿足建立空間站的要求，已經(jīng)成為制約載人航天計劃實施的一個瓶頸，急需突破。發(fā)展大推力火箭的當務(wù)之急就是研發(fā)大推力發(fā)動機的問題?！苯咕S新說。

“國際上，每枚火箭采用的是三至四臺發(fā)動機，航天飛機的發(fā)動機也是由兩個發(fā)動機組成，所以必須提高火箭發(fā)動機的推力?！苯咕S新說。

近日，由中國航天六院生產(chǎn)的“120噸級液氧煤油發(fā)動機”通過國防科工局現(xiàn)場驗收。這款被命名為YF-100的液氧煤油大推力發(fā)動機，將成為中國未來實施載人航天、月球探測、空間實驗室乃至執(zhí)行深太空探索任務(wù)等工程的主要動力。

??據(jù)悉，長征5號火箭已經(jīng)通過驗收，預(yù)計2014年在新建成的海南文昌首次發(fā)射，在此基礎(chǔ)上，推力3000噸，運載能力百噸以上的重型火箭也已經(jīng)在論證當中。

??“如果能夠?qū)崿F(xiàn)，不論是深空探測還是登月，還是火星探測的目標都可以滿足?！苯咕S新說。