2030年！中國火箭運載能力將趕超“獵鷹重型”

關(guān)注美國“獵鷹重型”成功發(fā)射消息的同時，國人還想知道：中國火箭運載能力如何？什么時候能夠趕超“獵鷹重型”呢？

美國“獵鷹重型”的成功發(fā)射是人類航天史上的重大突破，國內(nèi)被此消息刷屏的人則更想知道：中國何時也能發(fā)射像“獵鷹重型”這樣的火箭？“獵鷹重型”的先進(jìn)技術(shù)中，哪些中國可以借鑒？它帶給我們的啟示又是什么？

預(yù)計2030年首飛

根據(jù)火箭院公布的《2017-2045年航天運輸系統(tǒng)發(fā)展路線圖》，我國重型運載火箭計劃于2030年前后首飛。此前《2016中國的航天》白皮書發(fā)布會上曾透露，備受矚目的中國重型運載火箭擬命名為“長征九號”。也就是說，大約10年后，“長征九號”運載火箭將飛天，運載能力超過“獵鷹重型”火箭。

當(dāng)然，像火箭這種涉及基礎(chǔ)學(xué)科和工業(yè)化水平的領(lǐng)域，并不能一朝一夕就追趕上美國。中國運載火箭技術(shù)研究院（以下簡稱“火箭院”）型號系列總師龍樂豪院士說，要客觀看待中美之間的差距，但也要看到，兩國的差距正在縮小。

“長征九號”規(guī)模更大

“獵鷹重型”：起飛質(zhì)量約1420噸，最大直徑3.66米，近地軌道運載能力為63.8噸。

“長征九號”：起飛質(zhì)量達(dá)3000噸，最大直徑約10米，近地軌道運載能力大于百噸，是現(xiàn)有中國火箭最大運載能力的4倍多。“長征九號”的結(jié)構(gòu)和尺寸質(zhì)量均將突破我國現(xiàn)有運載火箭能力水平，是支撐中國航天強國建設(shè)的重要標(biāo)志和里程碑。

時任中國運載火箭技術(shù)研究院院長的李洪在2018年3月4日接受記者采訪時評價，其可以滿足未來我國深空探測、載人月球探測等重大航天發(fā)射的任務(wù)需求。

李洪還表示，“獵鷹重型”的發(fā)動機并不先進(jìn)，在我國所有運載火箭的型譜當(dāng)中也可以達(dá)到同樣的能力，“差距在哪兒呢？它發(fā)動機的性能和特點決定了它可以變化推力，但我們的發(fā)動機目前還沒有這么大的變推力，采取系統(tǒng)的方案進(jìn)行回收。”

李洪還提到，“獵鷹重型”值得學(xué)習(xí)的還有安全性方面的設(shè)計和考慮，比如無人值守，“目前我們新一代的火箭已經(jīng)朝著這個方向走，但是上一代的火箭還做不到。整體來講，‘獵鷹重型在集成創(chuàng)新理念和方法上值得我們學(xué)習(xí)和借鑒”。

中國處在技術(shù)攻關(guān)階段

航天界有句行話：“運載火箭的能力有多大，航天的舞臺就有多大。”

火箭院型號顧問黃春平形象地將火箭比作進(jìn)入太空的“云梯”，“沒有運載能力更強的火箭，就像人上樓沒有電梯一樣，爬不高、走不遠(yuǎn)。中國航天由大到強，火箭要先行。我們要變壓力為動力，迎頭趕上，加快推動重型運載火箭的立項和研制，一步一步往前邁，把我國的重型運載火箭早日送上天。”

“獵鷹重型”此次“處女飛”，同時成功回收了兩枚助推器。未來中國重型運載火箭可以實現(xiàn)重復(fù)使用嗎？火箭專家們表示，目前我國也已經(jīng)開始研制可重復(fù)使用火箭，而中國重型運載火箭正在開展前期技術(shù)攻關(guān)，處于“關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)及方案深化論證”階段，是否可重復(fù)使用尚未最終確定。

哪些技術(shù)中國能用？

“獵鷹重型”火箭采用的新技術(shù)很多，最主要的技術(shù)有3項。這些先進(jìn)的技術(shù)中國能不能用上呢？ 火箭院專家告訴你答案：有的可以，有的不可以。

28臺發(fā)動機“湊”出最大推力——可靠性不高，不用

“獵鷹重型”是現(xiàn)役運載能力最大的火箭，發(fā)射時可產(chǎn)生約227萬千克的推力，相當(dāng)于18架波音747飛機，能將約64噸載荷送入近地軌道。全箭共使用了28臺相同的Merlin 1發(fā)動機，它也是世界上成功發(fā)射的火箭里發(fā)動機臺數(shù)最多的一型火箭。

既然發(fā)動機臺數(shù)越多，推力就越大，中國研制重型火箭是不是可以直接效仿？然而，理想很豐滿，現(xiàn)實很骨感。火箭院運載火箭專家秦旭東介紹說：“發(fā)動機臺數(shù)的增多，必然會帶來系統(tǒng)可靠性的降低。”最典型的例子，就是前蘇聯(lián)研制的登月火箭N-1，其一子級使用了30臺發(fā)動機，4次發(fā)射均告失敗。

為了提高可靠性，SpaceX公司采用了動力冗余技術(shù)，把“獵鷹重型”推力做的有富余，在一臺或多臺發(fā)動機出現(xiàn)故障后，仍能繼續(xù)執(zhí)行主發(fā)射任務(wù)。但是，一旦發(fā)動機發(fā)生故障，火箭便無法達(dá)到最大運載能力。這次“獵鷹重型”發(fā)射前，SpaceX公司總裁埃隆·馬斯克也承認(rèn)：“此次首飛成功的概率僅有50%。”

中國重型火箭的研制結(jié)合我國國情，選擇了“大推力、少臺數(shù)”的方案。秦旭東介紹，我國重型火箭將采用500噸級的大推力液氧煤油發(fā)動機。當(dāng)發(fā)動機數(shù)量降下來后，出現(xiàn)問題的概率自然隨之降低，可靠性也就有了保證。

火箭可回收技術(shù)——降低成本，可用

“獵鷹重型”的發(fā)射視頻中，呈現(xiàn)了仿佛科幻片般的場景：火箭的兩個助推器像筷子一樣先后立在了著陸場，這就是“獵鷹重型”采用的垂直回收技術(shù)。按照計劃，火箭芯級將返回海上駁船回收，但最后未能成功。

SpaceX公司回收火箭，成功過多次，也失敗過多次，表明這項技術(shù)還不像發(fā)射火箭一樣成熟。火箭院運載火箭專家陳風(fēng)雨說，火箭本身的成本占據(jù)發(fā)射成本的70%以上，如果火箭回收技術(shù)成熟，將大大降低人類進(jìn)入太空的“門檻”，可以說誰先掌握了這項技術(shù)，誰就將掌握未來商業(yè)航天發(fā)射的主導(dǎo)權(quán)。

秦旭東介紹，我國重型火箭的研制，將借鑒這種垂直回收的思路。不僅如此，目前我國重型火箭已經(jīng)開始了可回收的方案設(shè)計和論證，還會充分“移植”其他型號相關(guān)關(guān)鍵技術(shù)的攻關(guān)成果。此外，我國還可能采用SpaceX公司類似的思路，實現(xiàn)芯級模塊或助推器模塊降落到某個特定位置的功能，從而進(jìn)一步推進(jìn)火箭的可重復(fù)使用。

發(fā)動機節(jié)流技術(shù)——提升運載能力，可用

“獵鷹重型”火箭的助推器和芯一級體積相同，加注量是一樣的，按道理應(yīng)該同時燃盡，但從實際發(fā)射視頻可以看到，助推器先分離后，芯一級又工作了30秒，這就是SpaceX公司的另一項創(chuàng)新性技術(shù)：發(fā)動機節(jié)流技術(shù)。陳風(fēng)雨解釋說：“這是為了保證一子級與助推器分離時，芯級仍有足夠的推進(jìn)劑，達(dá)到延長芯級飛行時間、提升火箭運載能力的目的。”

秦旭東說，目前我國現(xiàn)役運載火箭還沒有運用這項技術(shù)，但對于我國重型火箭新研制的發(fā)動機，專家們也曾提出在飛行過程中通過節(jié)流，讓火箭性能更優(yōu)。相信在我國科研人員的共同努力下，中國也能在未來火箭中應(yīng)用這一技術(shù)。

顯然，對于中國來說，SpaceX公司的成功經(jīng)驗有著很高的學(xué)習(xí)和參考價值，但中國重型火箭的研制不會也不能完全照搬“獵鷹重型”火箭的先進(jìn)技術(shù)，中國會結(jié)合長征系列運載火箭，特別是后續(xù)新研火箭的任務(wù)需求來開展研制工作，發(fā)展自己的技術(shù)。

在前進(jìn)中學(xué)習(xí)先進(jìn)，在學(xué)習(xí)中發(fā)展自己，堅持不懈，未來可期。

秦旭東表示：“我國重型火箭首飛成功以后，運載能力能達(dá)到‘獵鷹重型火箭的兩倍左右，將進(jìn)一步提升我國進(jìn)入空間的能力，支撐我國建設(shè)航天強國目標(biāo)的實現(xiàn)，使我國進(jìn)入世界航天第一梯隊行列。”

SpaceX帶給中國火箭的啟示

作為發(fā)射“獵鷹重型”的公司，SpaceX給中國火箭發(fā)展提供了不少啟示。

啟示1：簡化系統(tǒng)，采用成熟技術(shù)

火箭院飛行器彈道專家余夢倫院士認(rèn)為，“獵鷹重型”火箭的成功，為中國火箭的發(fā)展提供了一種新思路。

“獵鷹重型”火箭一級和助推器及二級均采用了同一種Merlin1發(fā)動機，全箭共計使用28臺Merlin1發(fā)動機、一級和助推器箭體采用與“獵鷹9”型相同構(gòu)型，均為成熟技術(shù)，可以節(jié)約大量成本和研制時間。余夢倫院士說，這其實與我國20世紀(jì)90年代發(fā)射的長二捆火箭設(shè)計思路不謀而合。“長二捆火箭一級捆綁4個助推器和二級均采用同一種發(fā)動機，是世界上第一型用一種發(fā)動機構(gòu)建的運載火箭，開創(chuàng)了歷史先河。如今，‘獵鷹重型火箭的成功再次證明，未來運載火箭發(fā)展應(yīng)從系統(tǒng)簡化角度出發(fā)，采用成熟技術(shù)，縮短研制周期，降低發(fā)射成本。”

啟示2：加快可重復(fù)使用技術(shù)研究

“獵鷹重型”的一級和助推器部分由3個模塊并聯(lián)組成，其中兩臺外掛助推器均為“二手”火箭重復(fù)使用，龍樂豪院士認(rèn)為這是“獵鷹重型”最大的技術(shù)亮點。

“雖然其芯一級海上回收失敗，但這條路已經(jīng)走通了，可回收技術(shù)假以時日肯定會更加完善。我國也要加快火箭重復(fù)使用技術(shù)研究步伐，尤其是新一代運載火箭使用無毒無污染推進(jìn)劑，具有回收利用的先天基礎(chǔ)和優(yōu)勢，更應(yīng)加速推進(jìn)可重復(fù)使用，以應(yīng)對當(dāng)前及今后高密度發(fā)射的形勢，同時降低火箭發(fā)射成本，提高中國航天的競爭力。”龍院士表示。

啟示3：要創(chuàng)新就要容許試錯

航天是高技術(shù)、高風(fēng)險的事業(yè)。20世紀(jì)六七十年代，采用30臺發(fā)動機并聯(lián)技術(shù)的蘇聯(lián)N-1運載火箭4次發(fā)射均以失敗告終，加之美國已經(jīng)實現(xiàn)載人登月，蘇聯(lián)只得取消這一工程，而SpaceX“獵鷹重型”火箭的成功則證明了多臺發(fā)動機并聯(lián)是可行的。火箭院型號總師宋征宇從中看到的是創(chuàng)新的規(guī)律：“創(chuàng)新性越強，意味著風(fēng)險越大，要創(chuàng)新，就要容許試錯。”

火箭院運載火箭專家陳風(fēng)雨表達(dá)了類似的觀點。他說：“這啟發(fā)我們要用發(fā)展眼光看問題。中國航天處于爬坡追趕期，我們既要敢于創(chuàng)新，過程嚴(yán)謹(jǐn)，同時也要客觀看待中國航天的基礎(chǔ)和工業(yè)技術(shù)水平，寬容失敗。只要瞄準(zhǔn)目標(biāo)，堅持正確方向，終能守得云開見月明。”

啟示4：技術(shù)突破需要堅持不懈

在“獵鷹重型”最終成功的道路上，SpaceX付出了大量的心血，也曾經(jīng)遭遇巨大挫折。宋征宇表示，“獵鷹重型”芯一級沒有能夠成功回收，該公司在垂直回收方面失敗了多次，也成功了多次，說明這項技術(shù)還未能像發(fā)射火箭一樣成熟。而技術(shù)的突破不是一朝一夕的事，要有長期的投入并堅持不懈，有些技術(shù)靠“彎道超車”是難以掌握的。我們應(yīng)該從基礎(chǔ)做起，避免急躁情緒。