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東山再起的重型火箭

來源:咸寧網 時間:2019-07-09 10:24

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圖為美國“航天發射系統”重型運載火箭。

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圖中最高、最粗的是“長征9 號”模型

新聞背景

6 月25 日,美國第三枚“獵鷹重型”火箭升空,執行了該火箭迄今“最難”的一次發射任務,即把24 顆衛星送入3 條不同的軌道,為此,其第2 級火箭4 次點火。

在冷戰時期,為了載人登月,美蘇都曾研制過重型火箭。后來,因為載人登月任務的結束,重型火箭在很長一段時間里歸入沉寂。近年來,隨著重返月球、載人登火計劃的推出,全球再次掀起研制重型火箭的熱潮。

1 重型火箭前景廣

所謂重型火箭是指火箭起飛推力在3000 噸上下、近地軌道運載能力在100 噸左右的運載火箭。世界第一種發射成功的重型火箭是美國的“土星5號”,它在1969 年至1972 年間,先后把7 艘“阿波羅”載人登月飛船送入地月轉移軌道,最終使12 名美國航天員成功登月。蘇聯正是因為研制的N1 重型火箭多次發射失利,被迫放棄了載人登月計劃,不過后來他們研制成功了“能源號”重型火箭,并用它發射了“暴風雪號”航天飛機。

近幾年,重型火箭之所以再次受到美俄的青睞,是因為他們已把載人航天的目標瞄準了月球、小行星和火星等地外星球。為此,首先要研制出能發射大質量深空載人飛船的重型火箭才行。載人登月飛船質量一般在50 噸左右,其奔月時的速度要求至少為10.9 千米/秒,因此需用近地軌道運載能力在100 噸以上的重型運載火箭,才能把50噸左右的載人登月飛船送入地月轉移軌道。

由于小行星或火星離地球更遠,飛行的時間更長,即為航天員攜帶的環境控制和生命保障資源大大增加,所以載人登小行星飛船或載人登火星飛船質量會更大,且飛行速度要達到第二宇宙速度——11.2 千米/秒,因此發射載人登小行星飛船或載人登火星飛船需用運載能力更大的重型火箭。由此可見,重型火箭在深空載人探測中具有舉足輕重的作用。

重型火箭不僅可以用于發射質量很大的載人登月飛船和航天飛機,未來還能用于發射載人小行星飛船、載人火星飛船和建造空間太陽能電站等。

2 美政府項目遭遇難產

美國政府在提出“重返月球”計劃后,首先想到的就是研制新一代重型運載火箭,并取名“航天發射系統”。

“航天發射系統”可用于向近地軌道及更遠的太空發射多用途乘員飛行器或大型有效載荷,以滿足載人登陸月球、小行星、載人登陸火星等深空探測的任務需求,還可作為“國際空間站”商業乘員運輸系統的備份運輸工具。

早在2014 年,美國航空航天局就公布了正在研制的新一代重型火箭——“航天發射系統”的照片。該火箭由美國航空航天局和波音公司共同研制,是一個高約117 米、重約3000噸的龐然大物。其近地軌道運載能力最大達130噸。

“航天發射系統”采用兩級半構型,它不僅采用了大量航天飛機技術,還借鑒了原計劃用于“星座計劃”但現已下馬的“戰神5 號”重型運載火箭的設計思路,并采取“兩步走”發展模式:初始構型的“航天發射系統”近地軌道運載能力為70噸;改進后構型的“航天發射系統”近地軌道運載能力為130噸。

“航天發射系統”原計劃在2017 年實現載人火箭的首飛。美國航空航天局還計劃在2030 年以后研制出改進后構型的“航天發射系統”,在2035年執行載人登火星任務。不過,“航天發射系統”項目進展一直在拖延,沒有在2017 年實現首飛,目前初始構型的“航天發射系統”的首飛時間已經推遲到2020年。為此,美國政府向波音公司施加壓力,稱如果再拖延,有可能采用民營公司的重型火箭進行“獵戶座”飛船的首次繞月發射。

3 民營公司搶占風頭

除了美國政府投資研制初始構型的“航天發射系統”重型火箭外,美國民營公司也在研制重型火箭,并且發展得很快。例如,美國太空探索技術公司已經成功發射了3枚“獵鷹重型”火箭,并且由于能夠部分重復使用,所以成本很低。

不過準確地說,“獵鷹重型”屬于準重型火箭,因為其近地軌道運載能力只有63.8 噸。它采用兩級半構型,起飛質量1420 噸,每次重復使用第一級火箭的發射價格為9000萬美元。

“獵鷹重型”是在已大量成功發射的“獵鷹-9”火箭基礎上,在芯一級捆綁了兩枚大型助推器,而這兩枚大型助推器其實就是與芯一級一模一樣的火箭,即“獵鷹重型”的第一級是由3 枚相同的火箭并聯而成的,并聯后的最大寬度為12.2 米,每枚上面裝有9 臺梅林-1D 發動機,都采用液氧/煤油,發射時共有27 臺發動機同時點火。所以,“獵鷹重型”既力大無比,又經濟實惠。

其第二級與“獵鷹-9”的第二級一樣,但具備多次點火能力,從而大大增強了其對于任務的適應能力。“獵鷹重型”的最大特點是其芯一級和兩個助推器甚至價值幾百萬美元的整流罩都能夠回收與重復使用,這能大大降低火箭的發射成本。在冷戰時期,美國發射“阿波羅”載人登月飛船用的“土星5 號”重型火箭每一枚造價都高達5億美元,大致相當于現在的40億美元。

如果不回收第一級和兩枚助推器,“獵鷹重型”的近地軌道運載能力為63.8 噸(相當于一架波音737 客機重量),地球同步轉移軌道運載能力為26.7 噸(相當于一輛T-34 坦克重量),發至火星的載荷能力16.8 噸(相當于一輛滿載的油罐車重量),發至木星的載荷能力3.5 噸。因此它不僅能把超大型衛星送入軌道,還具有執行載人登月或載人登火星飛行的潛力。例如,可以采用分兩次先后發射乘員艙和登月艙到近地軌道,然后用在軌對接的方式來發射載人登月飛船。

美國太空探索技術公司還在研制“大獵鷹”火箭,它是名副其實的重型運載火箭。其直徑9 米,高118 米,由兩級組成。該火箭近地軌道運載能力100 噸,能在軌加注燃料、重復使用。它將首先用于載日本游客繞月旅行,此后計劃搶在美國政府之前用于載人登火星。

4 俄羅斯技高錢少謀合作

俄羅斯已多次宣稱,要研制新一代重型火箭,用于載人登月,建立月球基地。

早在2014 年6 月9 日,俄羅斯聯邦航天局局長奧斯塔科就透露,為實現登月計劃,俄羅斯需要制造一個近地軌道運載能力為80-85噸的重型火箭。

2014 年9 月2 日,俄羅斯副總理羅戈津表示,普京總統贊同開始開發載重量達到150 噸的重型火箭。據估計,項目也將分兩個階段落實:第一階段是有效載重量為70-80 噸的火箭,下一個階段是120-190噸。

俄新社2019 年稱,俄羅斯將打造由重型火箭、載人運輸飛船和月球起降系統組成的空間運輸基礎設施。其中“葉尼塞”重型火箭的設計已經定型,它由6 個配備RD-171 發動機的助推器以及RD-180發動機芯級組成,長約百米。這款重型運載火箭能將88-103 噸貨物送上近地軌道,將20-27 噸貨物送上月球軌道。

另外,俄羅斯還開始研發“頓河”超重型火箭,并計劃于2029 年首次發射。它將保障未來俄羅斯航天員登陸月球。與“葉尼塞”火箭相比,“頓河”的載重量更大,能將125-130 噸載荷送上近地軌道,將32噸的貨物送上月球軌道。

俄羅斯有研制成功“能源號”重型火箭的底子,其大批量出口RD-180 火箭發動機到美國,所以研制新一代重型火箭在技術上問題不大,但資金嚴重缺乏,為此,俄羅斯正積極謀求國際合作。

5 中國也有宏偉計劃

研制重型火箭,要攻克重型火箭總體設計,以及超大推力發動機、超大型結構等關鍵技術。2014 年12月,時任中國航天科技集團董事長的雷凡培說,我們計劃通過四五年的時間,突破重型火箭總體設計、460 噸液氧/煤油發動機、220 噸液氧/液氫發動機和8.5 米直徑火箭結構設計制造等關鍵技術,為重型運載火箭工程研制打下基礎。他透露,我們將用15 年左右的時間完成重型火箭研制,2030 年左右實現首次飛行。

據2018 年年底的第十二屆珠海航展相關信息介紹,我國研發的重型火箭“長征9 號”采用三級半構型,全箭總長近百米,起飛推力在3000 噸上下。通過對助推器數量的調整,以及芯一級適應性增加一臺4800 千牛推力液氧/煤油發動機,可以構建近地軌道運載能力50 噸-140 噸、奔月轉移軌道運載能力15-50噸、奔火轉移軌道運載能力12-44 噸的系列化型譜。任務規劃將于2028 年前后實現首飛,綜合性能指標達到國際運載火箭的先進水平。



編輯:chenguo

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