巨大飛躍 中國研製長征九號重型火箭

《2011年度社會責任報告》公開了長征九號火箭的簡要對比圖片

　　根據6月23日中國廣播網的中國之聲《新聞和報紙摘要》報道，中國運載火箭技術研究院黨委書記梁小虹透露我國千噸推力的新一代運載火箭即將在兩年後首次發射，而運載能力百噸級的下一代重型運載火箭也進入可行性和方案論證階段，中國航天科技集團《2011年度社會責任報告》中，則正式將重型火箭命名為長征九號，這些信息的公開標誌著我國重型運載火箭的研製工作開始提上日程，幾代航天人夢想的重型運載火箭，有望在不久的將來成為現實。

　　運載火箭是目前人類進入太空的唯一工具，它的運載能力是衡量一個國家航天工業水平的重要指標，也決定了一個國家太空探索和開發的基本能力。我國航天事業在過去數十年的發展中取得了豐碩的成果，但在航天技術和能力上仍存在巨大的不足，尤其是運載火箭運力的不足，已經明顯制約了我國航天事業的進一步發展，如天宮一號目標飛行器質量不得不局限在8噸左右，天宮一號的艙內生活空間和設備質量對比國際空間站的主流艙段也明顯偏小。兩年後首次發射的長征五號火箭近地軌道運載能力將增加到25噸、同步轉移軌道運力增加到14噸，長征五號火箭可以滿足發射未來空間站核心艙和實驗艙，以及探月三期工程採樣返回探測器的需要，還具備發射大型火星探測器和木星探測器的能力。長征五號火箭的運載能力躋身大型運載火箭的主流，但運載火箭的發展又有了新的動向。

美國目前正在研製的SLS重型運載火箭，分為客運和貨運型號，運力達到130噸之巨

　　隨著人類太空探索的進一步深化，主要航天大國已經將探索目標轉向深空。2004年美國提出重返月球的計劃，載人登月駐月並進一步飛向火星。重返月球的星座計劃要求研製AresV重型運載火箭，它的近地軌道運載能力從早期的130噸提高到188噸之多。雖然2010年美國終止了星座計劃，現任美國總統奧巴馬提出了載人登陸小行星和載人環繞火星的新探索計劃，重型運載火箭的研製仍在進行。新的重型運載火箭被命名為太空發射系統(SLS)，將分階段不斷強化運載能力，從最初的70噸近地軌道運載能力最終增加到150噸，可以滿足多人小行星探索的任務需求。

　　俄羅斯航天局同樣在研製重型運載火箭，正在研製中的AngaraA7運載火箭的近地軌道運載能力將提高到約40噸，並做了百噸級近地軌道運力重型火箭的發展構想。印度太空研究機構同樣提出了大型登月火箭的設想，將與GSLVMK3火箭聯合進行載人登月或是其他深空探索。美國的載人深空探索將在現有國際空間站合作的基礎上進一步推動與俄羅斯、歐洲和日本的國際合作，聯合進行月球環繞飛行，建設地月拉格朗日點空間站，深入探測近地小行星，積累充足的經驗後再進行載人火星探測。縱觀國際航天大國載人航天和運載火箭的發展趨勢，未來20年內人類將再次衝出近地軌道進入深空，研製重型運載火箭進一步提升運載火箭的運載能力，也成為各航天大國的共同選擇。我國作為主要航天大國之一，無論是實現從航天大國到航天強國的轉變，提高我國空間開發能力和科技整體水平，還是保持現有航天集團第二梯隊的地位，都需要儘早開展重型運載火箭的論證規劃，加快重型火箭的研製工作。

長征五號火箭將達到主流運載火箭的水平，基本滿足近地軌道和常規無人深空探測器發射需求

　　早在美國進行阿波羅載人登月的年代，我國在航天發展規劃中就設想研製近地軌道150噸的重型運載火箭。雖然受限於經濟和技術的不足，這個規劃中的長征十號運載火箭始終停留在紙面上，但仍顯示這個國家奮發圖強的雄心。在隨後的數十年歲月里，以東風五號洲際導彈為基礎的長征火箭不斷發展，遺憾的是原始設計限制了火箭運載能力的提高，而歐洲和日本航天先後後來居上，它們的運載火箭在技術和運力上都超越了長征火箭。鷹有時飛得比雞還低，但雞永遠飛不了鷹那麼高，雖然20世紀80年代國家戰略調整後航天投資減少，導致我國航天技術進步遲緩，與航天強國拉開了距離，但到了21世紀隨著國力的復甦，我國航天事業同樣迎來了新一輪的發展高潮。我國航天年發射次數2004年開始超過歐洲、2011年開始超過美國，長征火箭的高密度發射堪稱我國航天產業欣欣向榮的最好標誌。目前天津建設中的新一代運載火箭產業化基地第一期就將具備年產12枚火箭的能力，加上北京上海原有的生產基地，新一代長征火箭的生產能力將達到更高的水平。未來長征九號重型運載火箭的研製和載人登月項目的開展，必將把我國航天事業的發展推向了一個新的高潮。

　　運載火箭技術研究院梁小虹書記接受採訪時時表示，重型運載火箭將採用8米直徑芯級、3.35米直徑助推器的設計，第一級8台發動機。火箭達到了「3000噸起飛」(質量)，以此推算火箭近地軌道運載能力超過100噸。這樣的運載能力可媲美美國曾經的登月火箭土星五號，僅略弱於美國正在研製的近地軌道130噸運力的SLS重型火箭，可以說是一人之下萬人之上。

龍樂豪等人設想的重型火箭早期方案，其中液體助推器的型號最終演進為長征九號火箭

　　長征九號重型火箭的研製早有預兆，幾年前各學術期刊上就紛紛提及載人登月重型火箭方案設計，單台發動機推力從3500千牛到6600千牛不等，還分為單燃燒室和雙燃燒室設計，火箭箭體直徑也有8米、9米甚至10米的設想，助推器直徑也分為3.35米和5米。在經過數年的討論後，從最近梁小紅書記和航天科技集團的報告分析，長征九號重型火箭的基本設計已經塵埃落定。它將使用8米直徑芯級捆綁4個3.35米直徑助推器，其中芯級4台大推力液氧煤油發動機、助推器各1台大推力液氧煤油發動機。在早期論證中大推力液氧煤油發動機曾有單燃燒室3500千牛到5000千牛的想法，後來改為3300千牛單燃燒室和6600千牛雙燃燒室的設計，但綜合近日採訪中梁小紅提到的3000噸(起飛質量)，還有8米直徑箭體芯級的說法，長征九號火箭的大推力液氧煤油發動機推力很可能已經降低到5000千牛左右，以減小發動機直徑，提供芯級發動機雙向搖擺的空間。如長征九號火箭使用8台5000千牛推力的發動機，全箭起飛推力約4000噸，結合3000噸起飛質量的說法，火箭起飛推重比約1.33，和長征二號E/F火箭相近。

長征九號過去的方案

　　再以報告中的長征九號比例推算，長征九號火箭全長約88米，助推器長度約39.5米。2011年龍樂豪、劉偉和何巍合著的《重型火箭及其應用探討》一文中，設想的重型火箭助推器直徑3.35米長度約49米、推進劑質量約320噸，由此可以推算39.5米長度的長征九號火箭助推器推進劑質量約250噸。以5000千牛發動機推力估算，助推器發動機額定推力下的工作時間約150秒，和現有長征二號F火箭2.25米助推器的150多秒或是長征五號3.35米助推器的159秒工作時間都比較接近。考慮到我國運載火箭盡量減少不必要風險的設計傳統，推算的長征九號火箭起飛推重比和發動機工作時間與現有火箭差別不大，可以認為推算結果和長征九號火箭真實的參數相當接近。雖然由於級間段要佔去一部分長度等原因，我們無法推測長征九號火箭芯一級的確切長度，如假定8米直徑的長征九號對比早期論證的9米直徑火箭成比例縮小，可以大致認為長征九號火箭芯一級推進劑質量約1200噸，發動機額定推力工作下的工作時間約180秒。

早期設計論證的600噸級液氧煤油發動機和200噸級液氧液氫發動機，從箭體尺寸判斷長征九號使用的液氧煤油發動機推力很可能降低到500噸左右

　　公開報道中已經指出長征九號火箭第一級使用8台發動機，但上面級設計卻沒有公開，但此前的方案論證中，絕大多數都傾向於使用氫氧發動機的第二級構成二級半的火箭總體設計。從長征九號火箭約88米的長度看，第二級箭體毫無疑問也是低溫氫氧發動機的設計。更早的《重型火箭及其應用探討》中的重型火箭長度約98米，但第一級長度49米也恰好比長征九號火箭長約10米，這意味著兩者第二級長度很可能基本一致，主要區別在於直徑從9米縮小到8米，假定第二級使用同樣的設計，則長征九號火箭第二級氫氧推進劑加註量為約400噸。《重型火箭及其應用探討》一文還提到第二級使用2台200噸級大推力氫氧發動機，2012年發表的《未來大推力氫氧發動機方案初步探討》一文則給出了大推力氫氧發動機的詳細數據，其真空推力為2460千牛、真空比沖為425秒。以這兩個數據出發，可以推算出額定推力工作下第二級兩台氫氧發動機的工作時間為約338秒。

部分美國人如NASA前局長格里芬反思認為國際空間站基於20噸級小艙段是個愚蠢的設計，或許將來長征九號火箭能用來發射中國類似太空實驗室的大型空間站，降低空間站的建設成本　　　　長征九號重型火箭將使用二級半的火箭構型，發動機使用大推力的液氧煤油發動機和大推力高比沖的氫氧發動機，將使火箭具有較高的運載係數。二級火箭外加助推器的構型設計，還大幅度減小了火箭第一級的直徑，降低了火箭和發射系統設計製造設計的難度。長征九號火箭通過二級氫氧發動機的二次啟動設計，還將具備發射近地軌道載荷、同步轉移軌道載荷、月球轉移軌道載荷和火星轉移軌道載荷的能力，可靈活用於多種任務發射。長征九號重型火箭將大幅度提高了我國進入太空的能力，其近地軌道運載能力將超過100噸，月球轉移軌道運載能力40多噸，並可發射數噸質量的大型火星探測器甚至火星取樣返回探測器。在低溫推進劑長期在軌存儲技術獲得突破後，使用核火箭發動機或是核電推發動機，長征九號重型火箭還具備多次發射開展載人登火的能力，即使使用傳統的低溫推進劑，多次發射在軌族裝也具備了載人火星環繞探測的能力，可以說長征九號火箭將大大增強我國展開深空探測的能力。長征九號火箭不僅運載能力大，8米甚至更大直徑的整流罩還可提供更大的包絡空間，發射大尺寸的載荷如超大直徑的光學空間望遠鏡、超大直徑的空間站艙段。大型空間望遠鏡將大大增強我國天文觀測能力，為世界基礎科學做出更大的貢獻，而現有規劃的3艙60噸級之後長征九號火箭推動的大型大艙段空間站，還可能在空間站發展上走出一條低建設成本和高科研價值的新路，讓空間站擺脫華而不實的罵名。

中美展開巨型火箭競賽

　　長征九號重型火箭研製中需要攻克的大推力液體火箭發動機、大型火箭總體設計、大直徑輕質箭體和電氣控制系統等先進技術，將廣泛用於我國未來中小型運載火箭的更新換代，顯著促進和提高我國航天產業尤其是運載火箭的整體技術水平，使我國從一個航天大國轉變為航天強國。

　　研製中的長征九號重型火箭近地軌道運載能力將超過100噸，而我國目前近地軌道理論運力最高的長征三號乙火箭只有12噸，即使兩年後首飛的長征五號火箭也只有25噸，更不要說長征九號要突破的一系列先進技術，將填補我國航天產業技術上的空白。無論是運力上還是技術上，長征九號重型火箭都是一個巨大的飛躍，它以超大的運力和超大的包絡空間，將為我國深空探測尤其是載人深空探測提供巨大的發展空間，也為近地軌道的產業化提供了可能。研製長征九號重型運載火箭，不僅是中國航天工作者和航天愛好者的夢想，也是中國歷史上里程碑式的光榮，對進一步增強我國的綜合國力和國際影響力有著重大的意義。

推薦閱讀：