最近中國航天很忙，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，先后由長征五號B、快舟一號甲、長征十一號等型號運(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的運(yùn)載工具。正如地面上有不同種類的汽車，火箭也分為不同型號，“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，不同類型的火箭發(fā)動機(jī)有何特點(diǎn)，火箭的運(yùn)載能力又該如何提升?中國航天科技集團(tuán)一院(以下簡稱一院)型號設(shè)計(jì)師錢航以長征系列運(yùn)載火箭為例，向科技日報(bào)記者進(jìn)行了介紹。
不同類型火箭各有所長
今年5月5日，長征五號B運(yùn)載火箭在我國文昌航天發(fā)射場升空，上演了首秀。未來，這型“大火箭”將在中國空間站建設(shè)中發(fā)揮重要作用。
把長征五號稱為“大火箭”，可不光指個(gè)頭。錢航介紹說，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。不同類型的火箭各有所長。
目前這種分類方法尚無統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn)，我國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)型稱為大型運(yùn)載火箭。
由一院抓總研制的我國新一代大型運(yùn)載火箭長征五號系列，目前發(fā)射過2種構(gòu)型。長征五號B為一級半火箭，是我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭中唯一一款無需級間分離，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)我國空間站艙段發(fā)射任務(wù)的不二之選。長征五號基礎(chǔ)型則為兩級半構(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。
長征五號火箭地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力約為14噸，可以承擔(dān)基于東方紅五號平臺研制的大型通信衛(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年我國將先后用長征五號火箭發(fā)射天問一號火星探測器以及嫦娥五號月球探測器。
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。在長征火箭家族中，這一類別的火箭陣容龐大。曾經(jīng)承擔(dān)全部北斗衛(wèi)星以及嫦娥系列探測器發(fā)射任務(wù)，被譽(yù)為“金牌火箭”的長三甲系列運(yùn)載火箭;完成11艘神舟飛船和天宮一號、二號空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射任務(wù)的長征二號F運(yùn)載火箭;以及在未來空間站任務(wù)中主要用于發(fā)射貨運(yùn)飛船的新一代運(yùn)載火箭長征七號，都是我國中型火箭的代表。
近地軌道運(yùn)載能力低于2噸的，被稱為小型運(yùn)載火箭。可別小看它們，在微小衛(wèi)星市場日益繁榮的今天，“小火箭”也有大作為。以我國新一代小型運(yùn)載火箭長征十一號為例，作為長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，可以滿足在應(yīng)急情況下快速、機(jī)動發(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)載能力超過百噸，起飛推力達(dá)到3000噸級的，則屬于重型運(yùn)載火箭，其代表包括美國曾用于執(zhí)行阿波羅載人登月任務(wù)的土星五號火箭，由蘇聯(lián)研制、至今保持運(yùn)載能力世界紀(jì)錄的能源號火箭等。
固體、液體發(fā)動機(jī)不分優(yōu)劣
近年來面對不斷增長的空間資源開發(fā)需求和日益激烈的商業(yè)發(fā)射市場競爭，我國開發(fā)出長征五號等4種型號的新一代大型、中型、小型運(yùn)載火箭。錢航說，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，采用無毒環(huán)保、價(jià)格便宜、比沖(是對火箭推進(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)動機(jī)。那么這是不是意味著液體燃料發(fā)動機(jī)比固體燃料發(fā)動機(jī)更好、運(yùn)力更大呢?
錢航說，液體燃料發(fā)動機(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)動或變軌。不過液體燃料不易儲存，大多需要在火箭發(fā)射前加注。我國傳統(tǒng)液體燃料發(fā)動機(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)，對儲存和加注工作有著極為嚴(yán)苛的要求。近年我國陸續(xù)問世的新一代運(yùn)載火箭，采用了液氫、液氧、煤油等綠色燃料，對環(huán)境基本不會造成影響，但存儲和加注工作則更加復(fù)雜。
固體燃料發(fā)動機(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噴出，推動火箭前進(jìn)。相比宋代就誕生的火藥玩具“竄天猴”，其結(jié)構(gòu)和原理并沒有太大改變。錢航介紹，固體燃料發(fā)動機(jī)主要有3方面優(yōu)點(diǎn)。首先，相比液體燃料發(fā)動機(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，儲存起來也更安全;此外，由于結(jié)構(gòu)簡單，固體燃料發(fā)動機(jī)可以做得很輕，也更易于小型化。不過固體燃料發(fā)動機(jī)也有其劣勢。例如燃燒時(shí)間相對較短，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)。這都對它的任務(wù)適應(yīng)性造成了制約。
火箭發(fā)動機(jī)形式不分優(yōu)劣，也不能決定火箭的運(yùn)載能力。雖然目前國內(nèi)主要的固體燃料發(fā)動機(jī)運(yùn)載火箭如長征十一號，以及由中國航天科工集團(tuán)研制的快舟一號甲均為小型運(yùn)載火箭，但在美國正在研制的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)。錢航介紹說，火箭的運(yùn)力主要由火箭總體設(shè)計(jì)水平、發(fā)動機(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，通過優(yōu)化級間比(第i級火箭的質(zhì)量除以第i+1級火箭的質(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。長征三號甲系列、歐洲的阿里安5系列，以及美國的獵鷹九號運(yùn)載火箭，都是通過這項(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，長征三號乙運(yùn)載火箭就是通過減重的方法，將運(yùn)載能力提升了50公斤，以滿足發(fā)射要求。錢航介紹，在運(yùn)載器設(shè)計(jì)和應(yīng)用前期，主要是通過改進(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)過大量仿真計(jì)算和試驗(yàn)，提出了主捆綁及發(fā)動機(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)動機(jī)性能優(yōu)劣，直接影響著火箭運(yùn)載能力。在美國航天飛機(jī)、獵鷹九號火箭的運(yùn)力提升舉措中，提高發(fā)動機(jī)推力和比沖是重要環(huán)節(jié)之一。我國在長征五號運(yùn)載火箭上使用了首次研制的膨脹循環(huán)動力方式氫氧發(fā)動機(jī)，這是目前國際上比沖性能最高的火箭發(fā)動機(jī)，并且具有高空多次啟動能力。
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)動機(jī)作為基礎(chǔ)級動力，為上面級選用高比沖發(fā)動機(jī)，并開展載荷姿控聯(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)