關于重型運載火箭若干問題的思考

龍樂豪 , 鄭立偉

(1.中國運載火箭技術研究院,北京 100076；2.北京宇航系統工程研究所, 北京 100076)

關于重型運載火箭若干問題的思考

龍樂豪1, 鄭立偉2

(1.中國運載火箭技術研究院,北京 100076；2.北京宇航系統工程研究所, 北京 100076)

重型運載火箭涉及眾多關鍵技術，研制難度大，研制周期長。針對重型運載火箭研制過程中的幾個問題進行了思考，包括動力類型選擇、重型火箭模態試驗、動力系統試車、測發模式以及產業基地布局與建設等方面，提出重型運載火箭后續研制過程中的技術難點以及應對措施設想。

重型運載火箭；模態試驗；動力系統試車；測發模式

0 引言

重型運載火箭(代號CZ-9)是我國建設航天強國的重要標志，是實現“兩個一百年”發展目標中的重大科技創新活動，也可能是我國化學推進最大能力的終極火箭型號。

經過近10年的論證，我國重型運載火箭的總體方案已經基本收斂，該總體方案已獲得國家國防科工局等上級單位認可，進入關鍵技術攻關、方案深化論證及方案設計階段，并取得了以10米級直徑整體鍛環[1]、500噸級推力液氧煤油發動機渦輪泵與發生器聯試[2]、3米直徑分段裝藥固體發動機試驗成功[3]為代表的階段性成果，為后續工程研制奠定了初步基礎。由于重型火箭幾何尺寸、整體規模大，在研制過程中必將面臨很多新問題需要研究，本文針對重型火箭動力類型選擇、全箭振動試驗、動力系統試車、測試發射模式、產業基地布局與建設等問題進行了探討。

1 總體構型中發動機類型的選擇

1.1 國外情況

動力系統是運載火箭的核心組成部分，選擇了某種發動機，火箭的基本性能就確定了。按照國外重型火箭研制歷史來看，美國土星V運載火箭為三級串聯構型，各級分別采用了液氧煤油發動機、不同型號的氫氧發動機；俄羅斯N-1火箭為四級串聯構型，各模塊動力系統均采用了液氧煤油發動機；美國航天飛機采用了固體助推器和氫氧發動機的并聯構型；能源號火箭助推器采用了液氧煤油發動機、芯一級采用了氫氧發動機；美國星座計劃中的戰神5火箭為并聯構型，采用了固體助推器，芯一級和芯二級采用了氫氧發動機；美國在研的SLS 1火箭為并聯構型，助推器采用固體發動機，芯級采用了氫氧發動機。

縱觀國外重型運載火箭，各國采用的動力類型各不相同，但從構型發展規律來看，各國均由最初的串聯構型發展為捆綁助推器的并聯構型；而對于并聯構型，助推器動力類型主要集中為液氧煤油發動機或者固體發動機兩種。

1.2 重型火箭動力類型選擇

根據人類已經達到的火箭推進技術水平，重型運載火箭采用并聯構型的總體方案顯然是合理的。但并聯方案中的助推器采用液體還是固體推進劑，往往要根據各國不同的工業技術水平而定，事實上美國采用固體助推為主，而蘇聯/俄羅斯幾乎只采用液體助推器。鑒于重型火箭最主要的特征之一是運載能力大，因而要求推力也大；而實現大推力最簡單有效的辦法是采用固體火箭助推器，從理論上講，其推力大小與裝藥量成正比，只要多裝藥就可實現大推力的要求。相對大推力的液體火箭助推器，固體火箭助推器研制難度小得多、投入也少，目前我國已掌握研制千噸級推力固體火箭發動機的密封、分段裝藥等關鍵技術，另外采用固體助推器還有利于寓軍于民、軍民融合方針的實現，因此，固體助推器是最簡單也是最容易實現的方案。同時也應同步開展大推力液氧煤油發動機的關鍵技術攻關，在適當時機作出最終選擇。

在21世紀初的今天，研制CZ-9一定要注重經濟技術綜合性能，廉價是重要指標之一，不應單純追求技術進步。以芯一級(或芯二級)氫氧發動機循環方式為例，能用簡單可靠、研制難度小的燃氣發生器循環就不用高壓補燃循環方式。因為后者雖然技術先進但研制基礎差、難度大、投入高，而其對火箭運載能力的提高僅約4%，可謂得不償失。

2 全箭動特性獲取

2.1 國外情況

運載火箭的動特性獲取主要有3類試驗方法，包括全尺寸模態試驗、縮比模型和部段模態試驗。自20世紀50年代開始，國外的運載火箭模態試驗經歷了全尺寸試驗—縮比試驗—部段試驗的發展歷程，美國、歐洲幾類典型運載火箭的模態試驗情況[4]如下：

1)土星I號開展了1/5縮比尺寸的模型動特性試驗和全尺寸的動特性試驗，并將二者結果進行比較，為達到計算結果的準確性，在并聯貯箱位置進行三維建模。

2)大力神3運載火箭開展了1/5縮比尺寸的模態試驗，用以修正理論模型。

3)土星V號運載火箭分別進行了1/10、1/40尺寸的縮比模型模態試驗，并在馬歇爾航天中心采用油氣支撐方案進行了全尺寸的全箭模態試驗[5]。

4)航天飛機研制過程中也分別進行了1/4、1/8、1/15和全尺寸的模態試驗[6]。

5)阿里安火箭的模態計算采用PERMAS軟件包，對各部段進行了精細化建模，并用自由界面模態綜合法計算全箭的三維模態特征，未進行全尺寸的全箭模態試驗，僅進行了部段的模態試驗和靜力試驗用以修正精細化的部段模型。

6)戰神1號進行了逃逸模塊和二子級模塊的模態試驗用以修正模型，并進行了發射平臺豎立狀態的全箭模態試驗，以對全箭模型進行驗證[7]。

2.2 對CZ-9動特性獲取的思考

CZ-9采用9.5m芯級直徑、7.5m芯級直徑、5m助推直徑、起飛質量超過4000t，我國現有試驗場地和設備已不能滿足開展全尺寸模態試驗的條件。從國內外經驗看，全尺寸模態試驗方法是成熟的，沒有任何技術風險，但試驗設施龐大、利用率極低。我們若規劃新建模態試驗設施，必然存在耗資巨大、建設周期長等難題。因而CZ-9若采用全尺寸模態試驗方案，雖然技術上成熟，但顯然不是經濟、優化的途徑。

縮比模型模態試驗自土星I號的研究開始，進行了1/5的縮比模型試驗，縮比的要素包括尺寸、質量和剛度，并以縮比模型試驗結果代替了全尺寸試驗結果對模型進行修正。實際在縮比模型研制中，尺寸和質量縮比相對簡單，剛度縮比存在一定的難度，需要通過材料屬性和厚度等進行修正。但在土星Ⅴ號和航天飛機研制中，NASA進行縮比模型試驗的同時又進行了全尺寸模態試驗。文獻[5]中提及利用縮比模型試驗無法取代全尺寸模態試驗的一項重要內容，就是慣性器件安裝位置的振型斜率測量問題。

子結構模態試驗與模態綜合技術在航天領域的應用開始于阿里安4運載火箭，通過建立較高精度的三維動特性模型，利用模態綜合技術將各個三維模型部段組裝成為火箭總體特性。由于未進行全尺寸全箭模態試驗，所以阻尼數據和局部振型斜率難以確定，因此必需進行必要的部段試驗。阿里安5火箭同樣采用了該方案。

綜上所述，采用模態綜合技術方法獲取模態特性，已經過了國外火箭型號成功應用的驗證。對CZ-9整箭模態的獲取，是采用子結構模態試驗加模態綜合辦法的時候了，再不應該有絲毫的猶豫。

3 動力系統試車

3.1 國外情況

動力系統試車是新研制火箭飛行試驗之前一項最重要的大型地面試驗，目的是考核火箭子級方案(特別是動力輸送系統)的正確性、工作協調性。從美國、俄羅斯等國運載火箭的研制歷程來看，動力系統試車或類似的試驗也是運載火箭研制過程必不可少的環節。

動力系統試車必須有相應的試驗設施支撐，但試驗設施的建設方式多種多樣，沒有定式。各個國家依據研制周期、研制經費、原有設施技術狀況、科研機構布局特點、火箭運輸方式、氣象和環境特點等因素綜合考慮，有的建立專門試驗臺，有的利用原有試驗臺改造，也有利用原有發射臺進行試驗。美國、俄羅斯兩個航天實力雄厚的國家，在運載火箭發展早期都建立了大噸位的動力系統試車臺，滿足相當一段時期內多個型號研制的需要。這些試驗臺一般還可兼顧發動機研制試驗，如美國斯坦尼斯航天中心的B試驗臺、俄羅斯的101和102試驗臺。美國德爾它4火箭的通用芯級動力系統試車即是在B-2試驗臺上進行的，該試驗臺曾經承擔過土星Ⅴ號和航天飛機的動力系統試車。阿里安5一子級是利用阿里安5發射臺進行動力系統試車，而沒有專門建造動力系統試車臺；H-ⅡA火箭二子級利用了位于田代試驗場的原H-Ⅰ二子級動力系統試車設施，但因試驗臺承載能力和試驗基地的地域所限，其一子級和液體助推器的動力系統試車則在吉信發射場進行。

3.2 CZ-9動力系統試車臺建設

重型運載火箭有多個模塊，各模塊開展動力系統試車是必要的。但利用我國原有動力系統試車臺改建已不是合理的方案；應該依據現有研制能力布局、海南發射場的已有設施與氣候特點等因素綜合考慮，力求取得最優效果。也許直接用子級(或半箭)飛行演示驗證試驗的方法，來替代專用的動力系統試車臺更為合理。

4 測發模式

4.1 國外情況

火箭在發射場的技術準備工作主要包括產品組裝、測試、轉運，通過這3個項目基本上能反映火箭的技術狀態、地面設施設備和發射場總體布局的特點。對于運載火箭，一般選用地面固定場坪垂直發射方式，目前各國常用的測發模式有3種[8]。

(1)“三垂”模式

即垂直總裝、垂直測試、垂直運輸，如土星Ⅴ、航天飛機、宇宙神5、阿里安5、CZ-2F、CZ-5、CZ-7、H-II 等火箭采用該模式。

火箭各部段及設備在總裝廠房完成單元測試后，垂直總裝在活動發射平臺上，綜合測試后，火箭垂直轉運至發射區，在發射區火箭進行簡單測試后進入發射準備階段。

該方案最大的優點是技術區及發射區測試均采用同一套前端測試設備，在運輸時測試狀態不斷開，可確保技術區的測試狀態及測試結果有效，有效降低火箭在發射區的工作時間。但該方案對地面設施和設備要求高，需建設高大的垂直總裝廠房，對活動發射平臺及鐵軌、地基要求高，地面設施復雜、龐大、造價高。

考慮到重型火箭規模大，為縮短火箭在發射區的工作時間，貯箱、氣瓶置換工作應該在技術區內完成；在發射區，主要進行綜合測試、推進劑加注等工作。

(2)“兩平兩垂”模式

即水平測試、水平運輸、垂直總裝、垂直測試，如德爾它4、CZ-2C系列、CZ-3A系列和CZ-4系列等火箭采用該模式。

在技術區建設水平準備廠房，在發射區建設固定發射臺、固定勤務塔和臍帶塔，發射場坪下建設地下的前端設備間，不需要活動發射平臺。火箭各部段在技術區水平準備廠房完成安裝測試后，通過公路運輸車將各級運往發射區，用勤務塔上的吊車將各級火箭、星罩組合體垂直吊裝對接在發射臺上，經過測試后進行加注發射。

該方案最大的優點在于操作簡單，對發射設備要求較低，火箭運輸條件低，但該模式火箭在發射區占位時間長，每兩次發射時間間隔長，對海南自然環境適應能力差。而且發射區塔架規模龐大，實現較為困難，重型火箭高度約100m，在室外露天吊裝也存在較大風險。

(3)“三平”模式

即水平對接、水平測試、水平運輸，如能源號、暴風雪號、質子號、法爾肯9和天頂號海射火箭等火箭采用該模式。

在技術區水平準備廠房內完成箭體組裝、有效載荷對接、綜合測試后，整體水平狀態轉運到發射區，一般是用履帶車通過公路運輸。到發射區后進行火箭整體起豎、箭地連接、加注、發射。

此方案的優點是可以避免在技術區建設高大的垂直總裝測試廠房，發射區地面設備較為簡單，而且對運輸道路要求較低，轉運時所用的運輸車輛與三垂模式相比，較經濟。但是，需要突破重型火箭整體起豎、箭體及有效載荷水平組裝等技術。另外，到發射區還要進行箭地連接，所以在發射區的工作時間也較長。

綜上，俄羅斯重型火箭主要采用三平測發模式，美國主要采用三垂測發模式，表明兩種測發模式都可行。

4.2 CZ-9測發模式分析

重型運載火箭采用任何一種模式在技術上均是可行的，當前的任務是要深入進行技術經濟可行性論證。通過初步論證，無論是三平模式還是三垂模式，對于CZ-9而言，不存在不可逾越的技術難題；但三垂模式可以繼承新一代運載火箭的研制經驗和使用經驗，可優先考慮采用。但后續要考慮在發射區建設簡易勤務塔或者活動勤務塔，甚至可以取消發射區勤務塔，并重點開展發射活動平臺的技術方案攻關，在確保可靠性的同時盡力減小活動發射平臺的規模。

5 產業基地布局與建設

CZ-9大部段生產、總裝、總測及大型地面試驗應該放在何處進行？綜合考慮有天津臨港與海南文昌兩地可供選擇，進一步分析認為文昌地區更具優勢。我們完全可以CZ-9為契機，在海南建設航天軍民融合的產業化基地，這樣既是踐行國家軍民融合戰略方針的實際行動，也可以帶動我國航天運輸系統的產業化基地建設。此基地應有較完整的研制流程，在承擔國家重大專項任務的同時，重點發展航天運輸系統的市場化運營和軍民融合產業。

產業化基地具有研究、設計、生產、試驗、總裝、總測以及服務等能力，應是軍民融合、產業聚集、集成創新的經濟實體，致力于CZ-9等重大專項任務完成和航天運輸系統的市場化經營，實現“經營規模化、設施現代化、管理科學化、發展國際化”的目標。主營業務包括：

(1)CZ-9總裝、測試與發射

包括Ф9.5m、Ф7.5m芯級貯箱焊接、裝備和檢測，Ф9.5m、Ф7.5m芯級大部段鉚接裝配，整箭總裝和測試，總體和結構系統的大型地面試驗，如動力系統試車(或半箭演示飛行驗證)、模態試驗，并執行重型火箭的發射任務等。

(2)新一代運載火箭的發射服務和軍品型號前方任務保障

執行CZ-5、CZ-5B、CZ-6、CZ-7和CZ-8等新一代運載火箭高密度發射及其他國防重點任務保障，并逐步承擔它們的總裝、測試、靶場地面設備更新維護等任務。

(3)軍用技術向民用產業轉化

包括大型空間站、登月飛船等大直徑結構加工，面向東南亞及全國大直徑結構件高端加工，航天及軍用技術向民用產業轉化，如海工設備等，并承辦國內外航天學術交流和培訓等。

(4)商業化運作和國際化發展

嘗試通過混合所有制創新經營管理模式，實現產業、經營權分離，引入社會資本，使用現代化管理理念，降低火箭成本。

為航天國際化發展提供新機遇，為國外在海南發射提供技術服務，包括建成開放型東方國際航天港，承接國外火箭在海南發射任務；完成對海外發射場的直接管理，打造航天國際化業務的前沿陣地；定期召開中國航天發展論壇、文昌國際航天論壇等高端會議，提高知名度。

6 結束語

CZ-9關鍵技術攻關及方案深化論證階段已獲得部分成果，但其研制過程中將面臨諸多難題需要攻關解決。通過對國外運載火箭研制情況進行調研，針對我國重型運載火箭研制中幾個重大問題進行了初步思考，僅為一孔之言，期望有助于CZ-9后續研制工作的順利推進。

[1] 中鋁西南鋁為長征五號箭體結構提供90%以上鋁材[J].中國有色金屬, 2016(22):22.

[2] 張平.航天科技集團六院 500噸級液氧煤油發動機聯試獲成功[N]. 中國航天報,2016-08-05.

[3] 司馬.中國航天60周年(一) 登天有路箭為梯[J]. 國際太空,2016(9):8-16.

[4] 《世界航天運載器大全》編委會.世界航天運載器大全(第2版)[M]. 北京:中國宇航出版社, 2007.

[5] Grimes P J, McTigue L D, Riley G F, et al. Advancements in structural dynamic technology resulting from Saturn V programs, Vol.II[R]. NASA CR-1540, 1970.

[6] Blanchard U J, Miserentino R, Leadbetter S A. Experimental investigation of the vibration characteristics of a model of an asymmetric multielement space shuttle[R]. NASA TN D-8448, 1977.

[7] BuehrleR D,Templeton J D, Reaves M C,et al. Ares I-X launch vehicle modal test overview[C]. Conference Proceedings of the Society for Experimental Mechanics Series, 2011.

[8] 蔡遠文,王華, 彭明偉.測試發射技術及其在軍事航天中的應用與發展[J]. 航天控制, 2003(1):59-64.

Consideration of Some Issues on the Heavy Launch Vehicle

LONG Le-hao1, ZHENG Li-wei2

(1. China Academy of Launch Vehicle Technology, Beijing 100076, China;2. Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering, Beijing 100076,China)

The heavy launch vehicle (HLV) relates to many key technologies in that it is a long term and difficult project. In this study, for the heavy launch vehicle development, several considerations are provided such as the propellant type, the modal test design, the engine system test, the mode of test and launch, and the location for HLV production and construction. It also suggests the main key technologies and solutions for HLV in the future development.

Heavy launch vehicle; Modal test; Engine system test; Mode of test and launch

2017-03-15；

2017-03-31

龍樂豪(1938-)，男，中國工程院院士，主要從事運載火箭總體設計研究。

V421

A

2096-4080(2017)01-0008-05