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长征九号:重型火箭在路上

2017-06-08 15:49:00

  回眸2015年,中国航天进行了19次发射,将45颗各类卫星送入太空,成功率达到100%。2016年,中国航天将迎来新一轮的发射高峰,尤其是新一代运载火箭长征五号和长征七号将先后首飞。

  按照运载能力,运载火箭可分为小型、中型、大型和重型四类。我国一般将近地轨道运载能力为2吨及其以下的火箭称为小型运载火箭,近地轨道运载能力为2~20吨的火箭称为中型运载火箭,近地轨道运载能力为20~50吨的火箭称为大型运载火箭,近地轨道运载能力为50吨及其以上的火箭称为重型运载火箭。长征五号系列中的B型可以达到大型运载火箭,那么,我国的重型运载火箭研制进展如何呢?

  长征九号的构型

  要实现载人登月和载人着陆火星以及重大的深空探测等目标,就需要重型运载火箭。目前,中国运载火箭技术研究院已经启动重型运载火箭长征九号(CZ-9)的关键技术研制,主要包括两个方面:一是总体技术,二是发动机技术,从而实现重型火箭起飞推力在长征五号大型火箭1000吨的基础上提升至3000吨以上的目标,这无疑是一步巨大的跨越。

  长征九号将采用直径达9米的芯级火箭和周围对称地捆绑着4个直径为3.35米的助推器而组成。芯级一级为4台液氧煤油发动机YF-460,每台推力为460吨,二级为一台推力220吨的液氧液氢发动机YF-220,每个助推器各装一台YF-460发动机。火箭总体为两级半结构,全长近100米,起飞质量达到3000吨。发射时芯级一级和4台助推器同时点火,起飞推力达到3680吨,近地轨道运载能力达到100吨以上,地月转移轨道运载能力至少50吨,与美国多次成功发射阿波罗载人登月飞船的土星五号火箭运力相近。

  已经攻克的技术难题

  根据长征九号关键技术的预研计划,将力争用4~5年时间突破火箭总体设计,以及460吨液氧煤油发动机、220吨氢氧发动机和9米左右直径火箭箭体结构设计制造等关键技术;用约15年的时间完成整个火箭的研制,争取在2030年前后从海南文昌卫星发射中心实现首飞。

  随着重型运载火箭氢氧发动机大流量单喷嘴试验取得成功,使得该型发动机大流量高效稳定燃烧成为可能,从而在长征九号重型运载火箭研制的万里长征路上迈出第一步。

  由于长征九号重型火箭采用超大直径9米箭体结构设计,位于连接贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的过渡环直径很大,是传力的关键部位,承载力强,受力较集中。以往型号产品的过渡环通常采用分段式锻造,把各部段之间焊接起来。重型火箭的过渡环直径大,界面形式特殊且复杂,对其强度要求较高,焊接时可能会产生瑕疵,在未来执行任务过程中,可能会因受力状态复杂,遭到难以预料的破坏。从增强工程安全性出发,必须采用整体锻造法制备过渡环。据媒体披露,这一技术瓶颈近期也已被攻破。采用整体锻造法制备超大直径过渡环的技术在国际上尚属首创,从而为超重火箭后续研制的顺利开展奠定了基础。

  长征九号的性能

  为了降低结构重量,长征九号火箭的推进剂贮箱将使用轻质高强度的铝锂合金,级间段和整流罩使用复合材料;火箭电气和控制系统将使用故障诊断系统。火箭制导系统将使用捷联惯导加卫星导航加星光导航的先进复合制导方案,软件方面使用摄动加迭代的制导律,此外火箭还将具备基于天基天链系统的遥测控制能力。采用这些先进技术将显著提高长征九号重型运载火箭的性能。

  长征九号重型火箭的设计既考虑了使用新技术升级现有火箭等因素,又顾及到充分利用现有试验设备和成熟技术。比如,未装逃逸塔和整流罩时的长征九号火箭全长约88米,早已建成的天津新一代大型运载火箭基地的93米高度全箭振动塔足以对其进行全箭振动试验。

  长征九号火箭总体设计上也有很多优点,如芯级一级使用大推力液氧煤油发动机,并继承现有长征火箭芯级推质比大于1可独立使用的风格。我国未来在用长征九号实施载人登月等大项目的同时,还可独立使用其芯级发射其他航天器。因为芯级本身就是近地轨道运载能力约50吨级的重型运载火箭,可用于近地轨道或是静止轨道的超大载荷发射任务,或是一箭多星发射大型通信卫星,这就避免了土星五号用途过于单一的弊端。

  人类探索太空的能力,基本上取决于火箭的推力。可以预见,长征九号火箭未来不仅将完成我国载人登月的壮举,它的衍生型号还将把我国运载火箭技术水平提高到一个新的高度。

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