視覺(jué)中國(guó)供圖

最近中國(guó)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(zhǎng)征五號(hào)B、快舟一號(hào)甲、長(zhǎng)征十一號(hào)等型號(hào)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(dòng)的運(yùn)載工具,。正如地面上有不同種類(lèi)的汽車(chē),，火箭也分為不同型號(hào)，“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(lèi),，不同類(lèi)型的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有何特點(diǎn)，火箭的運(yùn)載能力又該如何提升,？中國(guó)航天科技集團(tuán)一院(以下簡(jiǎn)稱(chēng)一院)型號(hào)設(shè)計(jì)師錢(qián)航以長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭為例,，向科技日?qǐng)?bào)記者進(jìn)行了介紹。

不同類(lèi)型火箭各有所長(zhǎng)

今年5月5日,，長(zhǎng)征五號(hào)B運(yùn)載火箭在我國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)升空,，上演了首秀。未來(lái),，這型“大火箭”將在中國(guó)空間站建設(shè)中發(fā)揮重要作用,。

把長(zhǎng)征五號(hào)稱(chēng)為“大火箭”，可不光指?jìng)€(gè)頭,。錢(qián)航介紹說(shuō),，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(lèi)。不同類(lèi)型的火箭各有所長(zhǎng),。

目前這種分類(lèi)方法尚無(wú)統(tǒng)一的量化標(biāo)準(zhǔn),，我國(guó)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(chēng)為大型運(yùn)載火箭,。

由一院抓總研制的我國(guó)新一代大型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)系列,，目前發(fā)射過(guò)2種構(gòu)型。長(zhǎng)征五號(hào)B為一級(jí)半火箭,，是我國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭中唯一一款無(wú)需級(jí)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(guò)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(guó)空間站艙段發(fā)射任務(wù)的不二之選。長(zhǎng)征五號(hào)基礎(chǔ)型則為兩級(jí)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(zhǎng)征五號(hào)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(hào)平臺(tái)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(guó)將先后用長(zhǎng)征五號(hào)火箭發(fā)射天問(wèn)一號(hào)火星探測(cè)器以及嫦娥五號(hào)月球探測(cè)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(zhǎng)征火箭家族中，這一類(lèi)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(cè)器發(fā)射任務(wù),，被譽(yù)為“金牌火箭”的長(zhǎng)三甲系列運(yùn)載火箭；完成11艘神舟飛船和天宮一號(hào),、二號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射任務(wù)的長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭,；以及在未來(lái)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(zhǎng)征七號(hào)，都是我國(guó)中型火箭的代表,。

近地軌道運(yùn)載能力低于2噸的,，被稱(chēng)為小型運(yùn)載火箭?？蓜e小看它們,，在微小衛(wèi)星市場(chǎng)日益繁榮的今天，“小火箭”也有大作為,。以我國(guó)新一代小型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征十一號(hào)為例,，作為長(zhǎng)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(yáng)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(mǎn)足在應(yīng)急情況下快速,、機(jī)動(dòng)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(guò)百?lài)?，起飛推力達(dá)到3000噸級(jí)的,，則屬于重型運(yùn)載火箭，其代表包括美國(guó)曾用于執(zhí)行阿波羅載人登月任務(wù)的土星五號(hào)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(hào)火箭等。

固體,、液體發(fā)動(dòng)機(jī)不分優(yōu)劣

近年來(lái)面對(duì)不斷增長(zhǎng)的空間資源開(kāi)發(fā)需求和日益激烈的商業(yè)發(fā)射市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng),，我國(guó)開(kāi)發(fā)出長(zhǎng)征五號(hào)等4種型號(hào)的新一代大型、中型,、小型運(yùn)載火箭,。錢(qián)航說(shuō)，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(wú)毒環(huán)保,、價(jià)格便宜,、比沖(是對(duì)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(dòng)機(jī),。那么這是不是意味著液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)比固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)更好、運(yùn)力更大呢,？

錢(qián)航說(shuō),，液體燃料發(fā)動(dòng)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(dòng)或變軌。不過(guò)液體燃料不易儲(chǔ)存,，大多需要在火箭發(fā)射前加注,。我國(guó)傳統(tǒng)液體燃料發(fā)動(dòng)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(duì)儲(chǔ)存和加注工作有著極為嚴(yán)苛的要求。近年我國(guó)陸續(xù)問(wèn)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(duì)環(huán)境基本不會(huì)造成影響,，但存儲(chǔ)和加注工作則更加復(fù)雜,。

固體燃料發(fā)動(dòng)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?chē)姵?，推?dòng)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(méi)有太大改變,。錢(qián)航介紹,，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)主要有3方面優(yōu)點(diǎn)。首先,，相比液體燃料發(fā)動(dòng)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(jiǎn)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(chǔ)存起來(lái)也更安全,；此外，由于結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,，固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)可以做得很輕,，也更易于小型化。不過(guò)固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)也有其劣勢(shì),。例如燃燒時(shí)間相對(duì)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(duì)它的任務(wù)適應(yīng)性造成了制約。

火箭發(fā)動(dòng)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(guó)內(nèi)主要的固體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)運(yùn)載火箭如長(zhǎng)征十一號(hào)，以及由中國(guó)航天科工集團(tuán)研制的快舟一號(hào)甲均為小型運(yùn)載火箭,，但在美國(guó)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(dòng)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(qián)航介紹說(shuō)，火箭的運(yùn)力主要由火箭總體設(shè)計(jì)水平,、發(fā)動(dòng)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(guò)優(yōu)化級(jí)間比(第i級(jí)火箭的質(zhì)量除以第i+1級(jí)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(zhǎng)征三號(hào)甲系列,、歐洲的阿里安5系列，以及美國(guó)的獵鷹九號(hào)運(yùn)載火箭,，都是通過(guò)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(zhǎng)征三號(hào)乙運(yùn)載火箭就是通過(guò)減重的方法，將運(yùn)載能力提升了50公斤,，以滿(mǎn)足發(fā)射要求,。錢(qián)航介紹，在運(yùn)載器設(shè)計(jì)和應(yīng)用前期,，主要是通過(guò)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,?；鸺龑?duì)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(guò)大量仿真計(jì)算和試驗(yàn),，提出了主捆綁及發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)性能優(yōu)劣，直接影響著火箭運(yùn)載能力,。在美國(guó)航天飛機(jī),、獵鷹九號(hào)火箭的運(yùn)力提升舉措中，提高發(fā)動(dòng)機(jī)推力和比沖是重要環(huán)節(jié)之一,。我國(guó)在長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭上使用了首次研制的膨脹循環(huán)動(dòng)力方式氫氧發(fā)動(dòng)機(jī),，這是目前國(guó)際上比沖性能最高的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，并且具有高空多次啟動(dòng)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(qián)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(dòng)機(jī)作為基礎(chǔ)級(jí)動(dòng)力,，為上面級(jí)選用高比沖發(fā)動(dòng)機(jī)，并開(kāi)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,。

(來(lái)源:科技日?qǐng)?bào))