大推力火箭之夢

06-18

目前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火箭源於長征2E捆綁式火箭，最大運載能力只有8.5噸左右，難以滿足未來貨運飛船、2020大型空間站大質量艙段的發射需求，需要新型大推力火箭。那麼長征2F火箭會不會進一步升級、提升運載能力？中國未來大推力火箭的性能如何？與國外大推力火箭相比，中國火箭又處於什麼水平？

長征2F運載火箭發展簡介

長征2E為發射大質量的商用衛星而開發，不過7次發射2次失敗，可靠性明顯達不到載人航天需要。

用於載人航天工程的長征2F的首要考慮是可靠性，設計中大量使用已有成熟技術，將可靠性提升至97%。中國載人航天工程目前採用的是長征2F運載火箭，這是中國以原有的長征2E火箭為基礎，為載人航天任務專門研製的運載火箭。長征2F火箭著重提高安全性長征2E火箭又稱長征二號捆綁火箭，是20世紀80年代末為發射商業通信衛星而研製的捆綁式火箭，它的研製使中國運載火箭200千米高度近地軌道(LEO)發射能力從長征二號的2.4噸增加到約8.8噸。不過長征2E火箭的可靠性並不算高，總計7次發射中就有2次失敗，這個可靠性完全無法滿足載人航天的需求。長征2F火箭總的設計原則是確保運載火箭的可靠性和航天員的安全，儘可能實現一度故障工作、二度故障安全的設計思想。為了達到載人運載火箭的可靠性和安全性，在設計中首先注重實用成熟的設計技術和生產工藝，如沿用長征2E火箭原有的四個助推器、芯一級、芯二級等成熟部件，力圖通過過去幾十年積累的設計、工藝和製造經驗保證可靠性；其次廣泛採用冗餘和裕度設計技術，對可靠性影響較大的部件實行冗餘設計，對不能進行冗餘設計的進行裕度設計，儘可能降低運載火箭整體複雜程度和元器件質量水平對可靠性的影響；此外針對火工品誤炸的問題，全面使用鈍感火工品，降低誤炸可能；最後增加了逃逸塔和故障檢測處理系統。通過這些可靠性和安全性的改進，長征二號F火箭成為中國目前可靠性設計指標最高的火箭，保證了中國載人航天發射的安全可靠，將可靠性提高到0.97，安全性指標為0.997。長征2F運載火箭性能簡介長征2F運載火箭沿用了長征2E的兩級半構型，由4個助推器、芯一級、芯二級、飛船整流罩、逃逸塔組成，火箭全長58.3米，起飛總質量479.8噸，是中國已有運載火箭中最高最重的設計。長征二號F火箭可將超過7.8噸的載荷送入軌道傾角42.4度、軌道高度200X350千米的軌道，200千米圓軌道的運載能力約8.6噸。作為中國載人航天的唯一運載工具，長征2F火箭自1999年以來神舟一號到神舟七號歷次發射均圓滿成功。長征2F/G和長征2F/H運載火箭

發射天宮一號的長征2F/G想像圖，小幅加提升了運載能力，發射約9噸重的天宮一號已夠用，未來發射起飛重量約13噸的國產貨運飛船則需運力更強的長征2F/H。天宮一號由長征2F/G火箭發射隨著中國載人航天工程進行第二階段，長征2F原有的運載能力已難以滿足更重航天器的發射需求。今年9月天宮一號空間實驗室發射將採用經過改進的長征2F/G運載火箭(G表示改進)。長征2F/G火箭在長征2F基礎上作了少許改進，主要是助推器略微加長，改用雙激光慣組主從冗餘，運載能力略有提高。天宮系列空間實驗室的發射重量在8.5至9噸之間，長征2F/G已夠用，所以預料天宮二號、天宮三號仍由長征2F/G火箭發射。長征2F/H改用液氧煤油發動機但天宮三號發射後，需要與貨運飛船對接，進行貨運補給試驗。以天宮系列空間實驗室為基礎設計的貨運飛船，上行貨運能力達到約6噸，飛船總重量約13噸，明顯超出現有長征2F/G火箭約9噸的運載能力。因此，中國計劃研製新一代的長征2F/H運載火箭（H表示換）來發射貨運飛船。長征2F/H比起長征2F有大幅改進，主要是將原來的偏二甲肼-四氧化二氮發動機，改為與長征5號配套的YF-100液氧煤油發動機，電氣系統和地面測發控系統使用一體化設計。YF-100液氧煤油發動機推力比以往的發動機大，使得長征2F/H火箭的運載能力提高到13噸，滿足發射貨運飛船的需求。另外，推進劑改為液氧煤油，取代劇毒的偏二甲肼-四氧化二氮，對環境保護也大有好處。運載能力最強的長征3B火箭

長征3B是目前國內起飛重量最大的運載火箭，也是目前國內唯一能夠搭載嫦娥工程後續的月球軟著陸器的型號，但它的改進潛力有限，已經落後於日本的H-IIB。長征3B運載火箭性能簡介儘管長征2F是國內發射重量最大的運載火箭，但從理論上說中國LEO（近地軌道）運載能力最大的火箭是長征3B火箭。長征3B運載火箭靈活使用了模塊化、系列化和通用化的設計思想，以長征3A火箭進行適應性修改作為芯級，借鑒長征2E火箭捆綁助推器的經驗增加了四個液體助推器，從而獲得了更大的運載能力。長征3B火箭全長54.84米，起飛質量425噸，芯一級和芯二級直徑3.35米、助推器直徑2.25米，三子級直徑3米，整流罩最大直徑4米。長征三號B運載火箭的GTO(同步轉移軌道)運載能力約5.1噸，近年來增強版本長征三號BE進一步增加到5.5噸，理論上的LEO（近地軌道）運載能力分別為11.2噸和12噸。在長征5號等新一代運載火箭服役前，長征三號B火箭仍將是中國發射大型通信衛星的主力，也是唯一可將3.5噸的嫦娥三號和四號軟著陸落月探測器發射進月球軌道的火箭。長征3B運載能力仍然偏小2010年末長城公司發布的用戶手冊顯示中國還有將長征3B火箭的GTO運載能力進一步增加到6噸的方案，這個運載能力將達到歐洲空間局Ariane 5G火箭的水平，不過這基本是長征3B火箭設計的極限。1997年首次發射成功長征3B火箭是中國競爭商業航天市場的主力，也是國內唯一具備向GTO發射大型載荷的運載火箭。但對比其他航天強國的運載火箭，其運載能力並不算突出，當時僅僅比日本的H-II火箭略強。多年後的今天，增強型的長征3BE雖然GTO運力增加到了5.5噸，但日本GTO運力8噸的H-IIB火箭已經投入使用。世界大推力運載火箭縱覽

美國波音公司的德爾塔IV重型版，全氫氧推進設計使其運載係數高居世界第一，LEO運力超過22噸。

由蘇聯設計師切諾梅的全球火箭計劃演變而來的質子系列是俄羅斯現有LEO運力最強的火箭家族。在當今世界主要航天國家中，中國大推力火箭的運載能力是尷尬的倒數第二，僅領先於印度，但就發射規模來說，印度並不算一個真正的航天強國。說起大推力運載火箭，人們很容易想起登月的土星5火箭和蘇聯的能源火箭，不過這些LEO運載能力百噸級的巨型運載火箭任務單一，早已退役多年。當前世界上主流的大型運載火箭的LEO運載能力為20噸左右、GTO運載能力在8~12噸級，遠高於中國運力最大的長征3B火箭。美國作為航天頭號強國，美國一次性大型運載火箭現在基本由聯合發射聯盟壟斷，聯合發射聯盟擁有LEO運載能力約19.8噸、GTO約9噸的宇宙神5(Atlas V) 551大型運載火箭，還有LEO運載能力約22.5噸、GTO約13噸、GEO（地球同步靜止軌道）發射能力約6.3噸的德爾塔4(Delta IV) Heavy重型運載火箭。德爾塔4火箭還是世界上唯一的全氫氧發動機設計，運載係數位列世界第一。俄羅斯俄羅斯則繼承了蘇聯時代留下的質子(Proton)火箭並有所發展，質子火箭的LEO運載能力達到了21噸、GTO運載能力約6噸。類似Delta 4火箭，它也有直接將衛星發射進GEO（地球同步靜止軌道）的能力，GEO運載能力約3.5噸。

歐空局阿麗亞娜5系列運載火箭雖然起步較晚，其最新改型的LEO能力也已達到21噸。

日本的H-IIB運載火箭已經2次成功完成向國際空間站發射總重約16.5噸的HTV貨運飛船的任務。歐洲相比美蘇兩強早在20世紀60年代就研製了百噸級和20噸級大型運載火箭，其他國家的大型運載火箭發展較晚。1996年歐洲空間局的Ariane 5 G火箭首次試射，它的LEO運載能力達到了16噸、GTO運載能力約6噸。到了今天，Ariane 5 ES的LEO運載能力達到了21噸、Ariane 5 ECA的GTO運載能力達到了10.5噸。日本日本1994年首次發射了新一代的H-II火箭，連續失敗後又發展了新的H-IIA火箭並於2001年首次發射。H-IIA火箭設計中曾包括GTO7.5噸和9.5噸的H-IIA 212和222構型，但這些使用液體助推器的型號已經取消。即使如此，已有的H-IIA 204型火箭仍然實現了約15噸的LEO運載能力和6噸的GTO運載能力。日本最新的H-IIB火箭則進一步躋身大型運載火箭之列，具有19噸LEO、16.5噸國際空間站軌道和8噸GTO運載能力。長征五號運載能力將達世界先進水平

長征5運載火箭的幾種構型：通過搭配不同型號的助推器和上面級，長征5家族可涵蓋LEO10~25噸、GTO6~14噸的運力範圍，可滿足中國未來空間站的建設需要。長征五號計劃於2014年首次發射對比國外主流大型運載火箭，中國現有運載火箭的能力大有不足。如果說此前缺乏大質量載荷的發射任務，屬於有效需求不足沒有發展的話，那麼隨著空間站20噸級大型艙段、質量6.5~7噸的東方紅五號大型通信衛星以及探月計劃三期的大型取樣返回月球探測器的研製，中國運載火箭的運力已經成為瓶頸。所以中國在多年前就開始規劃設計新一代大型運載火箭，這就是長征五號運載火箭及其衍生型號。長征五號運載火箭在2006年正式立項，計劃2014年左右在海南文昌首次發射，使用長征五號技術的3.35米直徑的長征七號中型運載火箭和3.35米直徑的長征六號小型運載火箭也先後開始研製。運載能力達到世界先進水平長征五號運載火箭作為中國運載火箭更新換代、追趕國際先進水平的關鍵一步，在主要性能指標上已經達到或超過國際主流大型運載火箭的水平。長征五號運載火箭基於120噸級推力的YF-100液氧煤油發動機和50噸級推力的YF-77液氫液氧發動機研製，設計中貫徹模塊化、通用化和系列化的設計思想，以5米直徑芯級為核心分別捆綁不同數量的3.35米和2.25米直徑的助推器。LEO發射使用一級半構型，即一個芯級、捆綁助推器，GTO增加了基於YF-75D氫氧發動機的上面級，構成了A~F六個型號的長征五號火箭，覆蓋了LEO10~25噸、GTO6~14噸的運力範圍。其中與未來空間站建設緊密相關的是長征5A、長征5B和長征5C，長征5B的LEO運載能力為25噸，可用於發射未來空間站的核心艙和實驗艙；長征5A的LEO運載能力為18噸，可用於發射貨運飛船；長征5C的LEO運載能力為10噸可用於發射神舟載人飛船。長征五號火箭單純從運載能力上說，LEO和GTO的最大運力都達到或超過了現有主流大型運載火箭，但國外也有運力更大的火箭在研製中，這點將來時的優勢並不值得沾沾自喜，更重要的是長征五號的發動機在技術上與世界先進水平仍然有較大差距。

各太空強國主要大中型火箭尺寸對比。每一枚火箭都是傑出的技術結晶——如果仔細觀察，左一美國土星-IB火箭腳下有一個僅佔兩像素的黑點，這是同比例下的一個成年人，在這些人造巨無霸的體型之大可見一斑。國產火箭發動機落後較多

長征5系列將使用的YF-77氫氧發動機，屬50噸推力級別，處於目前主流氫氧發動機中的墊底水平。

國產120噸級推力的YF-100煤油/液氧發動機，性能僅超過目前仍在使用的一些低端同類產品。新型火箭發動機性能落後長征五號運載火箭基於120噸級推力的YF-100液氧煤油發動機和50噸級推力的YF-77液氫液氧發動機。這兩款新型發動機的推力和比沖都較小，尚未實用、性能已經落後，導致長征5號各構型需要使用的發動機數量都比較多。如系列中運載能力最強的長征5E，共有8台YF-100液氧煤油發動機、2台YF-77和2台YF-75D氫氧發動機；而運載能力相當的美國重型德爾塔4隻有4台氫氧發動機。發動機數量過多會增加火箭製造成本、也會對火箭發射的可靠係數帶來影響。考察液體火箭發動機主要有2個指標，一個是最大推力，另外一個是比沖。在相同的發射重量下，火箭發動機的比沖越高，火箭的運載能力就越強；火箭發動機最大推力越大，所需的發動機數量就越少。多國火箭發動機橫向比較國外目前均採用推力較大、比沖較高的高性能火箭發動機，以上文提到的各國大型運載火箭為例，美國宇宙神5火箭使用引進的俄羅斯RD-180液氧煤油發動機，真空最大推力4320千牛，真空比沖337.8秒；俄羅斯質子火箭的RD-253液氧煤油發動機雖然相當老舊，但使用分級燃燒循環設計，真空最大推力仍然達到1830千牛，真空比沖316秒。在氫氧發動機方面，美國的德爾塔4火箭使用本國普惠公司生產的RD-68大推力氫氧發動機，這也是世界上推力最大的氫氧發動機，真空最大推力3445千牛，真空比沖409秒；歐空局的Ariane 5火箭使用法國斯奈克瑪公司的Vulcain 2氫氧發動機，真空最大推力1340千牛，真空比沖431秒；日本H-IIA/IIB使用本國的LE-7A氫氧發動機，最大推力1098千牛，真空比沖442秒。相對來看，YF-100液氧煤油發動機真空最大推力為1340千牛，真空比沖約330秒；YF-77液氧液氧發動機真空最大推力約為70千牛，真空比沖428秒。在主要的地面啟動液氧煤油發動機中，YF-100性能僅僅超過了老式的RS-27、RD-107和SpaceX廉價的Merlin等發動機，YF-77液氫液氧發動機更是在主流氫氧發動機中推力和比沖雙墊底。這些事實提醒我們的航天液體發動機還需要加大投入，追趕世界先進水平。

推力和比沖是衡量一種火箭發動機的兩項最重要數據，圖表中是中國為長征5號火箭開發的YF-100氫氧發動機和YF-77煤油-液氧發動機與國外幾種著名大推力火箭發動機的性能對比圖。必須承認，在關鍵的火箭發動機領域，中國與其他西方大國差距仍很明顯。結語中國長征系列運載火箭源於軍用導彈，核心的發動機技術只是上世紀60年代國際水平，能夠打入國際市場主要依靠優秀的成功率和低廉的發射價格。目前，長征火箭的運載能力僅僅領先於印度，雖然新一代長征五號運載火箭運力趕上了世界主流水平，但火箭發動機技術差距仍然很大。未來中國仍需要推力更大、比沖更高的液氧煤油發動機和氫氧發動機，以滿足深空探測、載人登月和大型空間站的發射需求，為探索和利用太空提供強大支持。（文/張雪松黃治茂）天宮尋夢系列策劃專題