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中国研长征9号重型火箭 一次可发射1.5个空间站入

2019-10-19 01:49 来源:未知

  原标题:未来火箭之王!长征九号总师首次详解中国重型火箭

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  新京报讯(记者 倪伟)2018年初,美国猎鹰重型火箭首飞成功,将一辆红色特斯拉跑车送入地火转移轨道。这次发射虽然颇具娱乐性,但航天界普遍认为,这预示着一个新的重型火箭时代的到来。

图为美国“航天发射系统”重型运载火箭

  “冷战”期间,美苏军备竞赛带来了第一个重型火箭时代。美国用近地轨道118吨、月球轨道45吨运载能力的土星五号,将12名航天员送上月球。苏联也研制出了媲美土星五号、近地轨道运载能力100吨以上的能源号火箭。

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  但随着“冷战”结束,全球运载火箭暂别重型时代。如今,载人探月、载人探火、深空探测、大型空间设施建设需求的兴起,激发着人类再次将目光投向重型火箭。

“能源号”火箭家族

  中国重型火箭经历几年“犹抱琵琶半遮面”后,最近一年多来被确认命名为“长征九号”,因为“九”是最大的个位数。中国目前运载能力最大的长征五号火箭,近地轨道运载能力为25吨,而长征九号最高能达到140吨,是长五的5倍以上。中国计划2022年建成的“天宫”空间站,总重量约90吨,长征九号一次就可以将1.5个空间站的重量整体送入轨道。

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图中最高、最粗的是“长征9号”模型

  2016年10月,长征五号火箭在海南文昌发射场准备首飞。新京报记者 倪伟 摄

新闻背景

  “科幻级”的中国未来火箭之王,何时能走入现实?昨天(10月31日),在航天科技集团第十二届珠海航展媒体通气会上,来自航天科技集团一院的长征九号火箭总设计师张智表示,计划在2028年至2030年首飞,目前研制进展顺利。

6月25日,美国第三枚“猎鹰重型”火箭升空,执行了该火箭迄今“最难”的一次发射任务,即把24颗卫星送入3条不同的轨道,为此,其第2级火箭4次点火。

  即将于11月6日~11日举办的珠海航展上,长征九号将作为中国新一代运载火箭中的一员,向公众推介。

在冷战时期,为了载人登月,美苏都曾研制过重型火箭。后来,因为载人登月任务的结束,重型火箭在很长一段时间里归入沉寂。近年来,随着重返月球、载人登火计划的推出,全球再次掀起研制重型火箭的热潮。

  技术思路与SpaceX重型火箭不同

1 重型火箭前景广

  张智不仅是长征九号总设计师,也是我国航天员“御用”火箭长征二号F的总设计师。昨天,他首次公开介绍了长征九号的有关情况。

所谓重型火箭是指火箭起飞推力在3000吨上下、近地轨道运载能力在100吨左右的运载火箭。世界第一种发射成功的重型火箭是美国的“土星5号”,它在1969年至1972年间,先后把7艘“阿波罗”载人登月飞船送入地月转移轨道,最终使12名美国航天员成功登月。苏联正是因为研制的N1重型火箭多次发射失利,被迫放弃了载人登月计划,不过后来他们研制成功了“能源号”重型火箭,并用它发射了“暴风雪号”航天飞机。

  长征九号的研制,瞄准载人月球探测、火星取样返回、大型空间设施建造等需求,近地轨道运载能力50~140吨,奔月转移轨道运载能力15~50吨,奔火转移轨道运载能力为12~44吨。

近几年,重型火箭之所以再次受到美俄的青睐,是因为他们已把载人航天的目标瞄准了月球、小行星和火星等地外星球。为此,首先要研制出能发射大质量深空载人飞船的重型火箭才行。

  不同的运载能力,是火箭不同构型带来的。“长征九号是一个系列火箭,可以搭配4个、2个或0个助推器,形成三种构型,以此具备阶梯式的运载能力。”张智介绍。

载人登月飞船质量一般在50吨左右,其奔月时的速度要求至少为10.9千米/秒,因此需用近地轨道运载能力在100吨以上的重型运载火箭,才能把50吨左右的载人登月飞船送入地月转移轨道。

  长征九号高度超过90米,箭体直径为10米级,芯一级配置4台500吨级推力高压补燃液氧煤油发动机,芯二级配置2台220吨级推力高压补燃氢氧发动机,芯三级配置4台25吨推力膨胀循环氢氧发动机,每个助推器配置2台液氧煤油发动机。

由于小行星或火星离地球更远,飞行的时间更长,即为航天员携带的环境控制和生命保障资源大大增加,所以载人登小行星飞船或载人登火星飞船质量会更大,且飞行速度要达到第二宇宙速度——11.2千米/秒,因此发射载人登小行星飞船或载人登火星飞船需用运载能力更大的重型火箭。由此可见,重型火箭在深空载人探测中具有举足轻重的作用。

  这是长征九号与美国SpaceX公司的猎鹰重型火箭,以及该公司计划将游客送往月球轨道的BFR火箭的不同之处。猎鹰重型火箭发射起飞时依靠27台发动机同时点火提供推力,BFR则将发动机数量增加到31台,都是多台小推力发动机并联的技术思路。然而发动机之间会产生耦合影响,这种技术路径也被认为蕴藏着较大风险。

重型火箭不仅可以用于发射质量很大的载人登月飞船和航天飞机,未来还能用于发射载人小行星飞船、载人火星飞船和建造空间太阳能电站等。

  长征九号则依靠为数不多的几台大推力发动机提供起飞动力。推力最大的构型起飞时,芯一级与助推器发动机加起来也只有12台,风险随之降低。

2 美政府项目遭遇难产

  明年年中完成500吨级发动机整机装配

美国政府在提出“重返月球”计划后,首先想到的就是研制新一代重型运载火箭,并取名“航天发射系统”。

  长征九号首飞,还要等待10年。根据国家国防科工局此前公开的信息,其首飞时间预计在2028年前后。

“航天发射系统”可用于向近地轨道及更远的太空发射多用途乘员飞行器或大型有效载荷,以满足载人登陆月球、小行星、载人登陆火星等深空探测的任务需求,还可作为“国际空间站”商业乘员运输系统的备份运输工具。

  而首飞只是重型火箭项目的第一阶段。张智介绍,重型运载火箭的发展将分三个阶段。第一阶段将在2028年至2030年完成,主要任务是完成系列构型模块的研制,实现火箭首飞,使我国进入空间能力达到国际先进水平,满足火星取样返回、载人月球探测等重大工程的需求。

早在2014年,美国航空航天局就公布了正在研制的新一代重型火箭——“航天发射系统”的照片。该火箭由美国航空航天局和波音公司共同研制,是一个高约117米、重约3000吨的庞然大物。其近地轨道运载能力最大达130吨。

  其后进行的第二个阶段,进一步完善重型火箭系列化构型,并进行应用飞行,同时利用可重复使用技术进一步降低火箭成本。

“航天发射系统”采用两级半构型,它不仅采用了大量航天飞机技术,还借鉴了原计划用于“星座计划”但现已下马的“战神5号”重型运载火箭的设计思路,并采取“两步走”发展模式:初始构型的“航天发射系统”近地轨道运载能力为70吨;改进后构型的“航天发射系统”近地轨道运载能力为130吨。

  到了第三个阶段,研制人员将研发更新的技术,例如新材料、新动力等,提高运载能力和技术水平。火箭也将提高对载人登火、空间太阳能电站等更大规模空间探测任务和基础设施建设的适应性,支撑我国全面建成航天强国。

“航天发射系统”原计划在2017年实现载人火箭的首飞。美国航空航天局还计划在2030年以后研制出改进后构型的“航天发射系统”,在2035年执行载人登火星任务。

  长征九号项目可以追溯到8年前,国家国防科工局于2010年正式启动了重型火箭论证工作;2015年启动关键技术攻关及方案深化论证阶段(以下简称关深阶段)研制工作,并取得系列初步成果;2016年,重型运载火箭关深阶段正式立项。

不过,“航天发射系统”项目进展一直在拖延,没有在2017年实现首飞,目前初始构型的“航天发射系统”的首飞时间已经推迟到2020年。为此,美国政府向波音公司施加压力,称如果再拖延,有可能采用民营公司的重型火箭进行“猎户座”飞船的首次绕月发射。

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