【網易博客】中國新一代運載火箭評析之三

06-05

偉大的國家必然要有偉大的夢想，2009年6月10日，中科院發布中國2050年科技發展路線圖，根據這份路線圖，我國深空探測的規劃相當的宏偉：2012年左右：實施第一次月球軟著陸和巡視勘察；2014年左右：實施第二次月球軟著陸和巡視勘察；2015年左右：實施環繞火星探測並中途探測小行星的多任務多目標探測工程；2017年左右：實現第一次月球採樣返回；2018年左右：實現月球採樣返回；2020年左右：發射行星科學實驗室，開展行星就地探測；2025年左右：火星著陸探測和巡視探測；2030年左右：實施我國首次載人登月；2033年左右：實施第一次火星採樣返回；2035年左右：實現木星以遠的行星、衛星及小天體探測；2040年左右：建立首個短期有人值守的月球基地；2050年左右：實施首次載人登陸火星。

實現這些偉大的夢想，現有的長征2，3，4系列運載火箭是遠遠不夠的，同步轉移軌道最大5.5噸運力的長征3BE型火箭，實在無法承擔起這麼遠大的任務，當然，負責月球軟著陸探測器或是火星探測器的發射還是可行的，但是發射月球採樣返回探測器，就力不從心了。將於2014年首次發射的長征5號運載火箭，用於月球採樣返回探測器還可以，行星實驗室也沒問題，但是即使按龍樂豪老先生樂觀的計算，也只能勉強維持短期登月而已，如要維持駐月基地，需要研製重型運載火箭，並進一步指出，重型運載火箭是實現快捷安全的載人登月和載人火星探測的必要條件，要求儘快對關鍵技術如500噸級液氧煤油發動機，8~10米直徑箭體儘快進行預研。

可喜的是，在2007年航天推進技術發展目標中，明確指出2008~2009年的發展目標就包括這些內容：進行重型運載火箭（LEO100噸）5000KN液氧/烴系統方案、1500kN液氫液氧系統方案的概念研究和關鍵技術梳理；完成用於固體小運載器和中型固體助推器的1200kN推力的整體式固體發動機研製；開始3600kN、5000kN大推力分段式固體助推器關鍵技術研究。我國對航天系統的資金投入逐年加大，也能滿足開發這些大推力發動機的需要。根據2009年陸續出現的新聞，1200KN中型固體助推器已經初步完成開發，分段式固體助推器的分段式發動機技術開始取得突破，3600KN和5000KN大推力固體助推器正式亮相的時間已經不遠了。1200KN只能配合中小運力的運載火箭，不過5000KN(則510地面推力)的固體助推器，就是用來為我國重型運載火箭提供固體動力選擇的了。考慮到液體發動機開發的難度，未來登月，我們很可能先看到這些500噸級固體助推器的亮相，配合原有長征5號的構型，已經可以勉強應付早期簡單登月的需求了。

從2009年相繼出現在《宇航學報》、《航空動力學報》、《火箭推進》等專業刊物上的論文來看，5000KN的液氧/烴系統方案已經開始清晰起來，由於YF-100高壓補燃液氧煤油發動機開發的成功經驗，西安的航天6院傾向於開發高壓補燃液氧煤油發動機，加上近幾年新建了500噸級大推力液體發動機的試車台，作為專門進行航天推進系統的研究院，未雨綢繆，開展大推力液氧煤油發動機正當其時。不過最近的論文顯示，為了配合5米箭體的需要，發動機推力不得不降低到4000KN，如此才能在5米直徑的火箭箭體內，安裝兩台4000KN高壓補燃液氧煤油發動機。一開始，我對這種考慮覺得很荒謬，全新重型火箭何必拘泥於長征5號的5米箭體，中國航天人實在是窮怕了，拚命省錢。不過仔細想想這個決策也很合理，這種巨型火箭發射次數不會多，單獨開發新的箭體，而不是和將來肯定頻繁使用的長征5號系列火箭共用技術，從繼承性上來說是敗筆，從經費上說更是敗家之舉。何況單台4000KN還是5000KN推力，對於近地軌道/LEO運載能力100噸以上，月球轉移軌道/LTO運載能力也達到50噸以上的重型火箭來說，其實差別不大。我國的新型液氧煤油發動機，如果僅僅是4000KN或是5000KN的單台推力，在重型火箭里並不突出。美國人的Saturn-V火箭用的F-1發動機，推力可達6770KN；蘇聯人的RD-170/171發動機，更是達到了7400KN。不過F-1發動機沒能採用更高效的高壓補燃循環方式，比沖偏低，海平面比沖僅有2580牛*秒/千克，而RD-171發動機，派生自RLA-1200發動機，由於無法實現300噸的單室穩定燃燒，所以只好單室推力降低到200噸左右，4燃燒室並聯實現的大約800噸推力。航天6院計劃開發的大推力高壓補燃液氧煤油發動機，在採用高性能的高壓補燃循環方式，達到海平面2962牛*秒/千克比沖的同時，還將是史無前例的大推力單燃燒室發動機。大推力發動機穩定燃燒是世界級難題，美國人為了解決容易得多的F-1不穩定燃燒問題，花費了巨大的時間和精力財力，蘇聯人就沒能解決大推力發動機不穩定燃燒問題，現在輪到中國人了。如果我們能夠做成規劃中的4000KN高壓補燃液氧煤油發動機的話，那可以說達到了液體發動機的世界最高水平，根本不需要加上"之一"二字，解決400噸級單室不穩定燃燒問題，比之解決200噸級單室不燃燒，難度即使不是天地之別也差不多了。考慮到我國的2030年登月，並不迫切，更不用說實際還可能延遲幾年，對於下一代政治領導人是根本看不到的目標，所以需求並不迫切。航天6院有充足的時間和精力進行4000KN高壓補燃液氧煤油發動機的開發，不會如蘇聯或是美國人那樣，重蹈忙中出錯的覆轍，所以我對這一發動機的前景是非常看好的。用不了15年，發動機進度的細節也該公開了，我們就可以自豪的說，中國人站在世界液體發動機水平的巔峰，而不是如現在這樣面對YF-100和YF-77的技術指標檔次不高而底氣不足。

同樣讓人很感興趣的是1500KN液氫液氧發動機，YF-77發動機地面推力僅僅是500KN級別的，當初開發它的航天1院不喜歡，後來接手的航天6院也不高興，實在是技術指標太低的緣故，讓開發者缺乏自豪感。1500KN液氫液氧發動機，則是後繼的項目。目前沒有什麼足夠的消息，細節一切都在雲霧中，不過即使按最差的估計，和YF-77一樣僅僅是燃氣發生器循環的液氫液氧發動機，1500KN海平面推力，對應的真空推力將高達2100KN左右，這將是15年後，世界上第二大的推力的液氫液氧發動機，僅次於美國的RS-68發動機，遠遠高於日本現有的LE-7A未來可能增加的LE-X，也遠遠高於歐空局的火神2發動機。考慮到歐空局可能開發以HTE項目為基礎的2500KN分級燃燒液氫液氧發動機，日本早已有LE-7/LE-7A分級燃燒液氫液氧發動機，二中國航天的1500KN氫氧發動機沒有迫切需要，這型1500KN液氫液氧發動機，很有可能使用分級燃燒循環方式，高指標慢慢開發。湊巧的是，1500KN地面推力的分級燃燒循環液氫液氧發動機，這個世界正好曾經有一個現成的型號，那就是蘇聯人的RD-0120，能源號火箭的芯級發動機。YF-100師從RD-120，將來的1500KN液氫液氧發動機YF-XX，師從RD-0120則是再正常不過的事情，問題在於俄羅斯人還殘留了多少RD-0120的實際技術，事實上他們不僅可能失去了RD-0120的生產能力，也可能失去了很多發動機的具體技術，，如果不是一無所有的，完好的或許只有文檔了。如果為了顯示「中國特色」的話，很有可能改用全流量分級燃燒循環(FFSC)方式，顯著提高性能。如果能實現全流量分級燃燒循環的話，和實現大推力高壓補燃發動機一樣，將標誌著中國航天在液氫液氧發動機技術上也達到了世界最高水平。我很期待這一幕呢，本來對發動機系統並不抱什麼希望，但是航天6院的專門成立，還有4000KN高壓補燃液氧煤油發動機的出現，實在給人太多的希望和聯想。或許中國航天人並不缺少野心夢想與希望，而是過去缺錢無法實現而已。

2025年，按計劃將是是否開展載人登月的關鍵時間節點了，那時4000KN液氧煤油發動機和1500KN的液氫液氧發動機也將徹底公佈於眾。至少按目前的論證，屆時將會出現的重型火箭，簡直就是蘇聯能源火箭的加強版本，芯級都是4台1500KN地面推力的液氫液氧發動機，助推器里都是高壓補燃液氧煤油發動機，助推器推力都是800噸左右。但是，能源號是1980年代首次發射的，同樣級別運載能力的土星5號更是1960年代首次發射，冷戰的瘋狂年代，美蘇實在領先世界太遠了。和能源號不同的是，我們的重型火箭還有第二級單台1500KN液氫液氧發動機，文昌發射場的緯度要低得多，因此運載能力要遠遠大於能源號火箭，更不同的是，作為蘇聯繼承人的俄羅斯航天局，屆時將沒有能源號這個級別的重型火箭，事實上蘇聯解體後，俄羅斯人就失去了這個能力，或許是永遠的。美中G2作為現在的談資，到2030年前後，將是航天業真真切切的現實，他們將把歐空局，日本宇宙開發機構，俄羅斯航天局和印度航天機構徹底拋下，因為只有這兩個國家有足夠的財力和技術，維持強大的重型火箭和大規模的深空探測。