最近中國(guó)航天很忙，從5月5日到7月9日兩個(gè)月時(shí)間，就實(shí)施了10次發(fā)射，先后由長(zhǎng)征五號(hào)B、快舟一號(hào)甲、長(zhǎng)征十一號(hào)等型號(hào)運(yùn)載火箭，執(zhí)行了新一代載人飛船試驗(yàn)船以及多顆衛(wèi)星的發(fā)射任務(wù)。

眾所周知，火箭是用于航天活動(dòng)的運(yùn)載工具。正如地面上有不同種類(lèi)的汽車(chē)，火箭也分為不同型號(hào)，“力氣”有大有小，根據(jù)各自的特點(diǎn)和運(yùn)載能力，執(zhí)行不同的任務(wù)。

那么，火箭按照運(yùn)載能力如何分類(lèi)，不同類(lèi)型的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有何特點(diǎn)，火箭的運(yùn)載能力又該如何提升?中國(guó)航天科技集團(tuán)一院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)一院)型號(hào)設(shè)計(jì)師錢(qián)航以長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭為例，向科技日?qǐng)?bào)記者進(jìn)行了介紹。

不同類(lèi)型火箭各有所長(zhǎng)

今年5月5日，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭在我國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)升空，上演了首秀。未來(lái)，這型“大火箭”將在中國(guó)空間站建設(shè)中發(fā)揮重要作用。

把長(zhǎng)征五號(hào)稱(chēng)為“大火箭”，可不光指?jìng)€(gè)頭。錢(qián)航介紹說(shuō)，按照運(yùn)載能力大小，運(yùn)載火箭可以分為小型、中型、大型和重型(超重型)4類(lèi)。不同類(lèi)型的火箭各有所長(zhǎng)。

目前這種分類(lèi)方法尚無(wú)統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)，我國(guó)航天界一般將近地軌道運(yùn)載能力在20噸至100噸的運(yùn)載火箭，以及其衍生構(gòu)型稱(chēng)為大型運(yùn)載火箭。

由一院抓總研制的我國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)系列，目前發(fā)射過(guò)2種構(gòu)型。長(zhǎng)征五號(hào)B為一級(jí)半火箭，是我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭中唯一一款無(wú)需級(jí)間分離，可以直接發(fā)射入軌的火箭，可靠性大為提升。同時(shí)具備超過(guò)22噸的近地軌道運(yùn)載能力。這些特點(diǎn)，讓它成為承擔(dān)我國(guó)空間站艙段發(fā)射任務(wù)的不二之選。長(zhǎng)征五號(hào)基礎(chǔ)型則為兩級(jí)半構(gòu)型火箭，雖然其近地軌道運(yùn)載能力可以達(dá)到25噸以上，但它的任務(wù)卻主要瞄向更深遠(yuǎn)的太空。

長(zhǎng)征五號(hào)火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力約為14噸，可以承擔(dān)基于東方紅五號(hào)平臺(tái)研制的大型通信衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)。該型火箭還具備8噸以上的地月轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力，以及5噸左右的地火轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力。按計(jì)劃，2020年我國(guó)將先后用長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器以及嫦娥五號(hào)月球探測(cè)器。

中型運(yùn)載火箭的近地軌道運(yùn)載能力，通常在2噸至20噸。在長(zhǎng)征火箭家族中，這一類(lèi)別的火箭陣容龐大。曾經(jīng)承擔(dān)全部北斗衛(wèi)星以及嫦娥系列探測(cè)器發(fā)射任務(wù)，被譽(yù)為“金牌火箭”的長(zhǎng)三甲系列運(yùn)載火箭;完成11艘神舟飛船和天宮一號(hào)、二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭;以及在未來(lái)空間站任務(wù)中主要用于發(fā)射貨運(yùn)飛船的新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征七號(hào)，都是我國(guó)中型火箭的代表。

近地軌道運(yùn)載能力低于2噸的，被稱(chēng)為小型運(yùn)載火箭。可別小看它們，在微小衛(wèi)星市場(chǎng)日益繁榮的今天，“小火箭”也有大作為。以我國(guó)新一代小型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征十一號(hào)為例，作為長(zhǎng)征火箭家族中首型固體運(yùn)載火箭，它的近地軌道運(yùn)載能力約為700公斤，700公里太陽(yáng)同步軌道運(yùn)載能力約400公斤，同時(shí)具備在接到任務(wù)命令后24小時(shí)內(nèi)完成技術(shù)準(zhǔn)備并發(fā)射的能力，可以滿(mǎn)足在應(yīng)急情況下快速、機(jī)動(dòng)發(fā)射衛(wèi)星的需求。

此外，具備低、中、高軌道發(fā)射能力，近地軌道運(yùn)載能力超過(guò)百?lài)崳痫w推力達(dá)到3000噸級(jí)的，則屬于重型運(yùn)載火箭，其代表包括美國(guó)曾用于執(zhí)行阿波羅載人登月任務(wù)的土星五號(hào)火箭，由蘇聯(lián)研制、至今保持運(yùn)載能力世界紀(jì)錄的能源號(hào)火箭等。

固體、液體發(fā)動(dòng)機(jī)不分優(yōu)劣

近年來(lái)面對(duì)不斷增長(zhǎng)的空間資源開(kāi)發(fā)需求和日益激烈的商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國(guó)開(kāi)發(fā)出長(zhǎng)征五號(hào)等4種型號(hào)的新一代大型、中型、小型運(yùn)載火箭。錢(qián)航說(shuō)，新一代運(yùn)載火箭以可靠、安全、經(jīng)濟(jì)為主要設(shè)計(jì)原則，采用無(wú)毒環(huán)保、價(jià)格便宜、比沖(是對(duì)火箭推進(jìn)劑利用效率的一種描述，指單位推進(jìn)劑的量所產(chǎn)生的沖量)較高的液氫、液氧或液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。那么這是不是意味著液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)更好、運(yùn)力更大呢?

錢(qián)航說(shuō)，液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)優(yōu)點(diǎn)是燃料能量密度高，比沖大，容易實(shí)現(xiàn)流量控制，可以用于機(jī)動(dòng)或變軌。不過(guò)液體燃料不易儲(chǔ)存，大多需要在火箭發(fā)射前加注。我國(guó)傳統(tǒng)液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)火箭所用的偏二甲肼、四氧化二氮燃料，更是有劇毒、強(qiáng)腐蝕性，且易燃易爆，十分危險(xiǎn)，對(duì)儲(chǔ)存和加注工作有著極為嚴(yán)苛的要求。近年我國(guó)陸續(xù)問(wèn)世的新一代運(yùn)載火箭，采用了液氫、液氧、煤油等綠色燃料，對(duì)環(huán)境基本不會(huì)造成影響，但存儲(chǔ)和加注工作則更加復(fù)雜。

固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)的基本原理是點(diǎn)燃藥柱，燃燒產(chǎn)生大量高溫氣體從噴管?chē)姵觯苿?dòng)火箭前進(jìn)。相比宋代就誕生的火藥玩具“竄天猴”，其結(jié)構(gòu)和原理并沒(méi)有太大改變。錢(qián)航介紹，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要有3方面優(yōu)點(diǎn)。首先，相比液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，其不需要燃料泵等復(fù)雜的機(jī)械結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)更為簡(jiǎn)單且造價(jià)低廉;其次，由于藥柱是以固態(tài)形式存在，其特性比液體燃料更穩(wěn)定，儲(chǔ)存起來(lái)也更安全;此外，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以做得很輕，也更易于小型化。不過(guò)固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)也有其劣勢(shì)。例如燃燒時(shí)間相對(duì)較短，比沖較小，不能重復(fù)點(diǎn)火，也很難實(shí)現(xiàn)推力調(diào)節(jié)。這都對(duì)它的任務(wù)適應(yīng)性造成了制約。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)形式不分優(yōu)劣，也不能決定火箭的運(yùn)載能力。雖然目前國(guó)內(nèi)主要的固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)載火箭如長(zhǎng)征十一號(hào)，以及由中國(guó)航天科工集團(tuán)研制的快舟一號(hào)甲均為小型運(yùn)載火箭，但在美國(guó)正在研制的SLS重型運(yùn)載火箭身上，也裝著世界上推力最大的固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

4項(xiàng)措施可有效提升火箭運(yùn)力

運(yùn)載能力是火箭性能最直接、最重要的參數(shù)指標(biāo)。錢(qián)航介紹說(shuō)，火箭的運(yùn)力主要由火箭總體設(shè)計(jì)水平、發(fā)動(dòng)機(jī)性能與制造水平、箭體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造水平等多種因素決定。

他表示，想要提高火箭運(yùn)載能力，主要有4方面措施。首先是在保持火箭構(gòu)型不變的情況下，通過(guò)優(yōu)化級(jí)間比(第i級(jí)火箭的質(zhì)量除以第i+1級(jí)火箭的質(zhì)量，是影響火箭理想速度的參數(shù)之一)，增加推進(jìn)劑的加注量。長(zhǎng)征三號(hào)甲系列、歐洲的阿里安5系列，以及美國(guó)的獵鷹九號(hào)運(yùn)載火箭，都是通過(guò)這項(xiàng)措施，使運(yùn)載能力顯著提高。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化減重是運(yùn)載器設(shè)計(jì)的永恒主題。在今年7月9日實(shí)施的亞太6D衛(wèi)星發(fā)射任務(wù)中，長(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭就是通過(guò)減重的方法，將運(yùn)載能力提升了50公斤，以滿(mǎn)足發(fā)射要求。錢(qián)航介紹，在運(yùn)載器設(shè)計(jì)和應(yīng)用前期，主要是通過(guò)改進(jìn)工藝、選用新材料、優(yōu)化傳力路徑等方式提高結(jié)構(gòu)效率。火箭對(duì)箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)的輕質(zhì)化設(shè)計(jì)有著更高要求，一院火箭技術(shù)團(tuán)隊(duì)經(jīng)過(guò)大量仿真計(jì)算和試驗(yàn)，提出了主捆綁及發(fā)動(dòng)機(jī)集中力“雙擴(kuò)散”結(jié)構(gòu)、超大氣瓶變形自適應(yīng)支撐結(jié)構(gòu)、捆綁起吊多功能一體化結(jié)構(gòu)等多項(xiàng)新型輕質(zhì)設(shè)計(jì)方案，收效良好。

發(fā)動(dòng)機(jī)性能優(yōu)劣，直接影響著火箭運(yùn)載能力。在美國(guó)航天飛機(jī)、獵鷹九號(hào)火箭的運(yùn)力提升舉措中，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力和比沖是重要環(huán)節(jié)之一。我國(guó)在長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭上使用了首次研制的膨脹循環(huán)動(dòng)力方式氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，這是目前國(guó)際上比沖性能最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并且具有高空多次啟動(dòng)能力。

此外，總體優(yōu)化設(shè)計(jì)也是提升火箭運(yùn)力的有效途徑。錢(qián)航表示，從火箭總體構(gòu)型考慮，可盡量選用推力大的發(fā)動(dòng)機(jī)作為基礎(chǔ)級(jí)動(dòng)力，為上面級(jí)選用高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)，并開(kāi)展載荷姿控聯(lián)合設(shè)計(jì)降低結(jié)構(gòu)載荷條件，均可有效提升火箭運(yùn)載能力。

本報(bào)記者 付毅飛

關(guān)鍵詞： 火箭