探索宇宙！国产重型运载火箭的现在与未来

“长征”5号的技术创新及中国重型火箭发展规划

“长征”5号火箭是我国运载火箭升级换代的重大标志性工程，在研制过程中，攻克了以全新构型火箭的总体优化设计、5米大直径箭体结构、无毒无污染低温动力等为代表的12类240余项核心关键技术，形成了5大技术创新点，实现了我国火箭运载能力和技术水平的重大跨越。

首先是全新构型和总体优化技术，我国上一代运载火箭以3.35米直径箭体结构、75吨推力常规发动机为基础，经过近50年的不断改进与发展，其运载潜力已挖掘殆尽。为满足进入空间能力成倍提升的需求，需要基于全新箭体结构和动力技术，创新火箭构型与总体方案。研制队伍通过对近千种不同的火箭级数、箭体直径、结构形式、动力组合的构型方案进行综合迭代优化，创新提出了5米直径氢氧芯级捆绑3.35米直径液氧煤油助推器的大型火箭构型方案。构型方案的确定综合考虑了运载火箭的技术发展趋势与特点、我国当时的技术条件与基础，以及对我国运载火箭技术发展的牵引带动作用3方面的因素。在火箭技术发展特点方面，按照简化系统方案、提高可靠性的思路，采用了大直径少级数构型的方案进行设计。全新的构型方案充分利用助推器液氧煤油动力的大推力和高密度比冲，有效扩大火箭规模、快速穿越大气层；利用芯级氢氧动力的高性能比冲，提供高效速度增量，不但使火箭的地球同步转移轨道运载能力由5.5吨跃升至14吨，近地轨道运载能力由8.6吨跃升至25吨，同时还使得构型整体比上一代火箭减少了一级：两级半的“长征”5号即可完成传统的三级半火箭的任务，一级半的“长征”5号B即可完成传统的两级半火箭的任务，“长征”5号B也是当今世界在役火箭中唯一一型可以一级半直接入轨的火箭。级数的减少可减少级间分离、发动机高空起动等影响火箭飞行成败的关键环节，大幅降低系统复杂度、提高火箭飞行可靠性和经济性。这种全新构型技术上最大的特点是：实现了大推力液氧煤油动力的助推器与小推力的氢氧芯级的组合，利用助推器的大推力液氧煤油动力确保火箭的起飞推力和火箭运载规模，利于芯级的小推力、高比冲的氢氧动力的长时间工作来实现少级数，可以将两种动力各自的优势发挥到极致。但这种全新构型也带来了捆绑与传力设计、复杂力热环境预示、大质量柔性体分离、异种发动机点火安全控制等一系列火箭总体设计方面的难题。其技术本质在于如何在减少数级的情况下，保证火箭有足够高的结构效率，从而确保火箭的整体性能。为大幅提升火箭运载效率，创新提出了前捆绑传力、悬挂贮箱等技术方案，其中前捆绑传力技术，是我国首次突破大型火箭的这一核心技术。大型火箭助推器一般通过前后两组捆绑机构与芯级联接，传统火箭助推器的推力一般通过后捆绑点传递到芯级，称为后传力方案，而“长征”5号火箭4个助推器的总推力超过千吨，推力从前捆绑点向芯级传递，可以使芯级大部分结构不承受千吨级的轴向载荷，是实现芯级结构轻量化、提高运载能力的关键。但前捆绑传力方案的核心技术在国内还是空白，为此研制了多球铰自适应前捆绑装置，突破了复杂工况下结构大变形的自适应补偿技术，解决了传力路径长、变形协调困难的难题，有效提高了结构效率和火箭运载能力。为了实现全箭气动外形最优，火箭采用了助推器斜头锥、冯·卡门外形整流罩等全新气动外形，解决了火箭气动特性高精度预示难题，消除了整流罩跨声速脉动压力，实现全箭横向载荷降低30%、零攻角阻力系数降低10%。“长征”5号火箭由2台氢氧发动机和8台液氧煤油发动机在地面同时点火，氢氧发动机起动过程排出大量氢气，同区域液氧煤油发动机起动时排出大量富氧燃气，直接扩散、掺混后，会形成爆燃爆轰边界很宽的混合介质，不同推进剂组元的两种发动机地面同时点火的安全控制技术在国内空白。为此建立了氢的两相流扩散掺混模型，获取了不同温度、风场下液氢排放和扩散规律；通过在外场预置富氧粒子点火源，并精确控制富氢、富氧燃气排放时序，解决了异类发动机地面同时点火的安全控制重大难题。此外，在总体技术方面，还突破了系列化火箭构型设计技术、级间比兼容设计技术、簇式多喷管发动机尾焰作用下的尾段热环境预示与防护技术、大型低温火箭POGO抑制技术等核心技术。

全新的火箭构型和总体技术的突破，是“长征”5号火箭实现运载能力大幅提高、火箭减少级数、可靠性和经济性显著提升的核心关键。“长征”5号的技术创新还体现在大直径箭体结构设计、制造及试验技术上。“长征”5号火箭采用的全新5米直径轻量化箭体结构，是扩大火箭规模、提升运载能力的重要技术途径。我国上一代运载火箭箭体主结构最大直径为3.35米，研制5米直径大型箭体结构，这意味着过去50年积累的3.35米箭体结构设计、制造、试验、检测等方法与技术，有许多不再适用，是对整个结构研制体系的全新挑战。“长征”5号火箭在设计方法上，发展了5米直径大承载、弱刚度结构的工程设计理论和基于有限元技术的拓扑优化设计方法。在材料、工艺制造上，首次采用高强铝合金新型材料，自动搅拌摩擦焊接、自动铆接等新工艺，全新研制了一整套适用于5米直径结构的高精度制造装备。在试验能力上，充分利用液氮密度低、低温下材料性能提升的特点，发明了液氮介质内压检测法，解决了大型低温薄壁贮箱地面常规水压试验载荷远超飞行载荷的难题。突破了大集中力、千吨级高轴压、大弯矩和高内压载荷的多点协调平衡加载技术，首次实现了5米直径薄壳结构千吨级静力加载试验能力。“长征”5号火箭芯一级液氢贮箱工作在零下253摄氏度的超低温区，容积是上一代火箭氢箱的8倍，贮箱容质比提升50%以上，贮箱最小厚度仅3.5毫米，为解决由于径厚比增大带来的结构过渡区附加应力大幅增加的难题，“长征”5号火箭在国内首创了贮箱三心球冠底型、三角形薄壁网格加筋圆筒壳结构，以及低二次应力过渡环与筒段连接结构，在贮箱主体结构采用了精细化双面应力均化、多级过渡和刚度匹配组设计技术，关键焊缝应力水平降低30%以上。在制造环节，全面采用搅拌摩擦焊、悬空TIG（Tungsten Insert Gas welding）焊以及复杂曲面拉弯成型等先进技术，建立了航天大型铝合金构件搅拌摩擦焊工艺-质量-装备标准技术体系，实现了我国大型低温薄壁贮箱设计、制造和检测技术的全面跨越。高性能发动机及动力总体技术也是“长征”5号技术创新的体现。“长征”5号火箭采用全新无毒无污染动力系统。通过型号的研制，牵引了我国三型火箭发动机（YF-100液氧煤油发动机、YF-77大推力氢氧发动机、YF-75D膨胀循环氢氧发动机）的发展和相应的高可靠增压输送系统。助推器中的YF-100发动机，是我国首型高压补燃液氧煤油发动机，推力达120吨，是我国目前单台推力最大的液体火箭发动机。它采用高压补燃循环技术，化学点火、自身启动，发动机可以固定不摆，也可以单向或双向摆动。研制中突破了高压大流量富氧燃气发生器、高压推力室煤油冷却、大流量全进气低压比富氧涡轮、涡轮泵轴向力平衡、预压涡轮泵变螺距叶轮等一系列关键技术，使我国成为世界上继苏联后，第2个掌握高压补燃液氧煤油发动机技术的国家。芯一级YF-77氢氧发动机是我国首个地面点火起动、推力最大、燃烧室压力最高的氢氧发动机。与我国上一代氢氧发动机相比，真空推力由8吨级跃升至70吨级，推力提高9倍，燃烧室压力提高2.5倍。这种地面点火的发动机，面临着我国传统氢氧发动机超临界起动方式不再适用的重大难题，为此在国内首次构建了针对液氢亚/超临界工况低温推进剂单相/汽液两相瞬态流动与传热、涡轮泵和燃烧室喷雾燃烧等动力学模型和数值仿真方法，提出了大推力氢氧发动机亚临界点退火起动控制方案，解决了液氢亚临界工况下点火起动带来的低温流体相变流动、推力室冷却结构瞬态传热与防护、并联氢氧涡轮起旋加速匹配控制等技术难题，实现了大推力氢氧发动机在亚临界工况下的可靠安全点火起动。

发射台上的SLS超重型运载火箭

“长征”5号火箭芯二级YF-75D发动机是我国首型闭式膨胀循环、具有高空二次起动能力的氢氧发动机，它的成功研制，也使我国成为继美国之后，世界上第2个成功实现闭式膨胀循环氢氧发动机飞行的国家。YF-75D发动机取消了传统的燃气发生器循环的副系统，系统大幅简化，零组件数量大量减少，提高了发动机可靠性，比冲性能在我国火箭发动机中处于最高水平。由于采用了不依赖外能源的箱压自身起动方案，带来了初始起动能量与外界环境相关、组件间动态特性强耦合、低温流体瞬态传热影响敏感等新挑战，在国内首次构建了针对膨胀循环系统低温推进剂单相/汽液两相瞬态流动与传热、涡轮泵起旋爬升动特性、推力室喷雾燃烧等仿真分析模型，创新提出了利用推力室夹套热容作为初始起动能源的自身起动控制方案，解决了闭式膨胀循环发动机推力室混合比控制、点火工况与加速性能匹配等起动技术难题，实现了膨胀循环发动机高空两次可靠点火起动和稳定工作。“长征”5号火箭共配置12台低温发动机，起动前需将发动机的相应结构预冷至液氢、液氧温区，以满足安全点火条件。传统的排放预冷方案由于存在射前预冷与补加流程嵌套，保证多台低温发动机同时满足并在各种边界条件下均能可靠维持预冷条件非常困难。“长征”5号火箭首次采用了基于永磁同步电动机液氢循环泵驱动和氦气引射循环的循环预冷方案，攻克了超低汽蚀裕度的液氢循环泵、常温氦气与低温推进剂多相流引射与控制、低温长输送管涌流抑制等关键技术，通过在发动机与贮箱间建立低温推进剂循环流动的方法，实现了3种、12台低温发动机充分预冷并可靠维持，大幅提升了大型低温火箭的发射适应性。“长征”5号的技术创新还体现在高可靠控制与大容量遥测技术。“长征”5号火箭的全新构型，需助推器和芯级发动机联合摆动，以满足姿态控制需求，其难度在于：一是全新的助推器与芯级发动机联合摇摆控制方式，是中国“长征”火箭的首次，传统的姿态稳定系统设计，是将箭体的弹性特性简化为三通道解耦的单纯弯曲或扭转振动，而以“长征”5号火箭为代表的新一代运载火箭由于助推器长度大、质量占比大、且前后捆绑点的跨距大使得全箭动特性呈现低频模态密集、空间耦合交联严重、助推器局部模态显著的复杂特征，传统的火箭弹性特性建模方法及姿控稳定性设计和验证方法的适用性需要重新审视和研究；二是由于助推器发动机推力占总推力90%（传统火箭占比不超过50%），助推发动机关机时全箭控制力矩瞬时下降超过90%、干扰相比传统火箭增大10倍以上，控制对象特性、控制力及干扰的瞬态变化程度均数倍于传统火箭；三是5米直径结构及全新捆绑传力体系，造成全箭模态特性复杂、低频模态密集、空间交联耦合严重，相对传统火箭，刚簧弹稳定控制难度大幅增加。“长征”5号火箭是我国新一代运载火箭中最早立项研制的，为解决这些难题，在国内首次采用了助推器和芯级发动机联合摇摆姿态稳定控制方案，提出了基于空间模态的姿态动力学耦合建模方法，并在国内首次应用柔性多刚体动力学虚拟样机的方法进行了有效验证，系统突破了惯性敏感元件选位、发动机-伺服系统小回路精确模型、摆助推控制稳定性分析等方法理论，掌握了大型液体运载火箭摆助推控制这一关键技术。提出了助推器发动机和芯级发动机控制力动态分配技术，实现了助推器发动机关机时推力瞬间大幅下降情况下的姿态稳定控制。同时，“长征”5号火箭在国内首次提出了运载火箭基于1553B总线的系统级冗余体系框架，构建了基于异类惯组信息的三惯组、双速率陀螺、冗余总线、具有高可靠动态重构能力的“长征”5号火箭控制系统方案，相比于传统的冗余技术，通过采用三惯组加表和陀螺、速率陀螺的立体矩阵式健康管理技术，可快速完成多维度加表和陀螺的故障判断、隔离与重构，可在线规划的表级冗余重构方案达700余种，火箭控制系统的鲁棒性及惯性器件故障适应能力大幅增强。“长征”5号火箭测量参数由我国上一代火箭约1000路提高到5500路，遥测总容量从4Mbps提高到15Mbps，单点频遥测容量从2Mbps提高到10Mbps，需要确保火箭在任意姿态下的遥测信息全向发送与接收，面临无线传输距离显著下降、5米直径箭体S、C波段全向绕射等难题。针对上述难题，采用了TPC乘积码与MSD多符号检测组合调频遥测增强技术，实现了相同码速率条件下无线传输距离提高2.5倍；创新采用弯曲振子天线与十字交叉振子两种不同极化天线组合形式，在国内首次实现了5米直径箭体的全向高增益天馈系统。

此外，为了提高发射可靠性、测试发射效率和自动化程度，以及低温加注后人员的安全性，同时更好地适应海南的特殊气候气象条件，“长征”5号火箭首创了“在活动发射平台内部集成了地面测发控前端设备的三垂”测发模式，其特点是火箭进场后便直接在发射台上完成组装和箭地连接，在垂直技术厂房完成测试后，保持箭地接口状态直接垂直转运到发射区完成发射，大幅简化发射区测试操作，缩短在发射区的准备时间，可有效应对滨海发射场极端气象条件多发、影响发射可靠性等问题。这种新的三垂测发模式方案成功在后续的CZ-7、CZ-8等新一代中型运载火箭中推广应用。2000吨级活动发射平台是我国目前规模最大、功能最复杂、集成度最高的活动发射平台，首次集成了支承、行走、供配电、供配气、供液、垂直度调整等30余项系统功能及上千套地面测发设备，实现了火箭在发射前测试发射全流程箭地接口无间断连接。火箭起飞时刻10台发动机同时点火，发射台需承受的力热环境严酷度远超上一代火箭。面临着超高温、强振动、高噪声等极端严酷力热环境下可靠、安全发射难题。为此发明了基于多点支撑并带有脐带塔摆杆的活动发射平台、大流量喷水降温降噪系统、大流量氢气快速安全处理系统等，攻克了复杂环境下多学科高度集成总体优化、2000吨平台毫米级高精度行走自动定位、非线性多目标多约束条件下的12点高精度调平、严酷力、热环境控制与防护、大流量喷水降温降噪等关键技术，成功研制了国内技术最先进、承载能力最强、系统构成最复杂、集成度最高的活动发射平台，实现了我国运载火箭测发控模式和活动发射平台技术跨越发展，达到国际先进水平。

全新的火箭构型和总体技术的突破，是“长征”5号火箭实现运载能力大幅提高、火箭减少级数、可靠性和经济显著提升的核心关键

通过“长征”5号火箭的研制，我国运载火箭在总体方案、先进动力、轻质高强结构、高可靠电气和高安全发射支持技术等方面取得重大进步，火箭整体技术水平进入世界同类火箭的先进水平行列。“长征”5号火箭已成功应用于月球采样返回、火星探测、载人空间站工程、新一代大型静止轨道卫星平台等重大航天工程，为我国月球探测、行星探测、载人空间站等重大专项工程的实施奠定了重要技术基础。以“长征”5号火箭为代表的新一代运载火箭的成功研制及应用，大幅提升了我国火箭的运载能力和整体技术水平，但对比我国未来航天发展对运载火箭的需求，以及国外运载火箭的先进水平，我国运载火箭在进入空间的最大能力、运载效率、经济性等重要性能参数方面仍有差距，“长征”5号及其衍生型号并不能满足我国后续一系列重大航天项目空间进入的能力要求。事实上，重型运载火箭具有更为重大的跨代意义，虽然其研制需要8～10年时间，且需要海量资源投入，技术门槛极高。但重型运载火箭可跨越式提升我国进入空间和利用空间的能力，任务覆盖面广、适应性强，既可用于空间舱段、空间电站等近地轨道大规模发射任务，也可用于载人登月、载人火星/小行星探测、太阳系边际探测等深空探测任务，使我国空间活动进入全新的大规模探测阶段，保障我国在宇宙探索和空间开发中的优势地位。以载人登月任务为例，如果没有重型运载火箭，不能用一枚重型运载火箭直接将登月飞船送入地月转移轨道，那就只能采用一些变通的替代性方案。比如利用3枚“长征”5号加强型火箭，将载人飞船、登月舱等部分分三次送入地月转移轨道，再进入绕月轨道进行对接。还有一种方案是利用2枚运载火箭，采用“人货分离”的方式，将搭载航天员的飞船，以及登月舱和推进舱等分两次送入近地轨道并进行对接组合，再飞向月球。虽然这两者都避开了研制相对困难的重型载人运载火箭，但同时也存在航天员滞留太空时间长，发射场发射压力大等重大短板。所以，重型运载火箭是我国必须迈过的能力门槛。

目前我国有2个型号的重型运载火箭在研，“长征”5号G型负责载人登月，兼顾近地轨道任务，而“长征”9号则负责重载登月和更远的深空任务。“长征”5号G此前被非正式地称为921火箭，其研制正处于关键技术攻关及方案深化论证阶段。“长征”5号G将同时满足载人月球探测及近地空间站后期运营需求，火箭的研制将突破13项重大关键技术，其中包括多机并联复杂环境预示与控制技术、高可靠健康管理技术、自主飞行控制重构技术、大承载轻质化结构与分离机构技术、高性能氢氧发动机、高性能液氧煤油发动机、高性能增压输送技术等。这些技术决定了火箭的性能指标，是载人登月任务完成的基本前提。而新一代载人运载火箭的研制将使我国具备在2030年前载人登陆月球的能力，并为后续月球科考与开发、深空探测及空间资源利用打下基础。之所以采用“长征”5号的改型名字，一方面是它采用了很多“长征”5号上的成熟技术，另一方面，是它的芯级直径和“长征”5号一样，都是5米。当然，“长征”5号G采用的并非“长征”5号的发动机，而且其构型方案也几经变更。在方案论证的早期阶段，“长征”5号G的一级曾采用7台YF-100K发动机，二级采用2台YF-100M发动机，三级则采用3台YF-75E发动机，而“长征”5号的一级是2台YF-77，二级是2台YF-75D，可选的上面级则是2台YF-50D，助推器为2台YF-100。但根据2022年珠海航展上的信息，“长征”5号G的构型发生了重大变更，由原先的三级设计加2助推器，变成了类似“猎鹰重型”的CBC通用芯级并联式设计构型，如果不考虑到发动机的话，可以认为是绑了3枚“长征”5号，芯一级是由7台推力130吨的100K并联，3个一级就是21台发动机，由此它的规模超过了“重型猎鹰”、“德尔塔”4和俄罗斯的“安加拉”5，成为当今世界最强CBC火箭——起飞质量超2200吨，地月转移轨道运力27吨，是“长征”5号的3倍有余，月轨运载系数1.23%。另外，在“长征”5号G型的研发中，为降低运载成本，部分可回收技术是重点考虑的突破方向。虽然它的回收方式，可能包括绳网系统，但从目前来看，类似“猎鹰”系列火箭的回收方式也是技术方案之一。实际上，我国正在同时开展多种航天器的回收和复用方式，除了传统火箭的垂直降落回收之后，升力式航天器的水平降落也取得了可喜的进步，2020年9月4日和2022年8月5日两次发射的“可重复使用试验航天器”、2022年8月26日发射的升力式亚轨道可重复使用运载器，都取得了成功，它们都是可回收复用的，正所谓“不拘一格降人才”。“长征”5号G的可回收部分最终将采用哪种技术方案？这无疑留给了人们很大的想象空间。

至于负责重载登月和更远深空任务的“长征”9号箭体规模比“长征”5号G型要更为宏大。一般认为，“长征”9号的研制过程需要8～10年时间。这款重型运载火箭能跨越式提升我国进入和利用太空的能力，它的近地轨道运载能力达百吨级，地月转移轨道运载能力为50吨级，其任务覆盖面广、适应性强，既可用于空间舱段、空间电站等近地轨道大规模发射任务，也可用于载人登月、载人火星/小行星探测、太阳系边际探测等深空探测任务。这款火箭将使我国空间活动进入全新的大规模探测阶段，保障我国在宇宙探索和太空开发中的优势地位。

目前，“长征”9号也处于深度论证阶段，其方案同样几经变更。在“长征”9号最初的版本里，采用三级半构型设计。一子级配置4台YF-130型液氧煤油发动机，四枚助推器各配置2台YF-130型液氧煤油发动机，起飞级总推力5 873吨；二子级配置2台YF-90型氢氧发动机；三子级配置4台YF-79型高空氢氧发动机；火箭全长103米，一子级箭体直径9.5米，二子级液氢燃料贮箱段直径9.5米，液氧贮箱段箭体直径7.5米，三子级箭体直径7.5米，最大起飞质量4137吨。但随着各子级发动机的研制工作不断取得突破，研究人员对于“长征”9号的设计要求也越来越高。在经历了21版和22版两次设计升级之后，“长征”9号变得更粗、更长、更强。火箭全长延长至110米，最大直径10.6米，起飞质量4122吨，起飞推力5200吨。近地轨道运力150吨，地月转移轨道运力50吨，而到了2022年11月的第14届珠海航展，“长征”9号采用两级串联构型，分为5米直径与10米直径两个系列，且能重复使用。重复使用次数预计可达50～100次，可称其为“中国版星舰”。但马斯克表示其星舰在一次性模式（正常是要保留燃料降落到地面进行回收的）下，最高有效载荷可达250～300吨，而“长征”9号一次性使用模式时的有效载荷并未披露。不过考虑到两者都是可重复使用飞行器，因此既然在重复使用的情况下，有效载荷是一样的，那么一次性模式下应该也差不多。值得注意的是，虽然第14届珠海航展版“长征”9号的运力没有明显提升，但其发动机将全面更新为与SpaceX星舰相同的液氧甲烷发动机。据称，“长征”9号的两级可重复使用的变型，将在第一级使用26台200吨级液氧甲烷发动机，而之所以选择液氧甲烷发动机，是看上了它无毒环保、高可靠、高性能、低成本、易操作、可重复使用等特点。首先就燃料而言，甲烷的来源比液氢燃料更加广泛，成本更低。另外，液氢的密度很小，使得火箭配备了更大的燃料贮箱，而液态甲烷的密度是液氢的6～8倍，具有一定密度优势。此外，液态甲烷的保存温度也比液氢高很多，易于保存。最重要的是，氢氧发动机燃烧激烈，其推力室内壁经过3次以上的点火就可能出现裂纹，而液氧甲烷发动机则可以在几十次燃烧后依然没有损伤，因此非常适合重复使用。对于煤油燃料来说，甲烷更不容易积碳和结焦，因此也不需要浪费氧气通过富氧燃烧清除积碳，进而节省了燃料。同时，过多的氧气也会腐蚀发动机机体，并且，甲烷的价格明显也要比煤油更低廉，因此考虑到液氧甲烷发动机没有结焦现象，也就使得甲烷火箭在使用完后重复利用时无需深度清洗，使用氮气简单冲洗后就可直接使用，可以降低维护成本。相比之下，这些优势都特别利于重复使用，而甲烷的另一个好处就是可以在太空中获取，比如在火星上就可以直接制备甲烷，这对于深空探索来说有着重要意义。总而言之，显然航天事业的发展并非一蹴而就，当能力达到一定水平，自然要定下更高的目标，而珠海航展版“长征”9号的亮相，也就意味着之前展示的众多方案，基本上成为了历史。当然，相比于“长征”5号G型，“长征”9号的研制门槛更高，资源投入更大，但重型运载火箭工程的实施，不但将满足未来中国航天重大项目对空间进入能力的要求，还将牵引精密制造、新材料、新工艺、新能源等相关领域科研能力、生产能力的大幅度提升，使我国在一些关键领域形成引领世界相关技术发展的优势能力，形成以系统创新为牵引、专业技术创新为支撑的良好格局，同时可对我国基础工业发展和制造业产生巨大牵引作用，促进航空、船舶等其他相关行业的发展和跨域创新，带动我国民用产业技术革新、产业升级和经济的高质量发展，有力引领和推动科技强国与制造强国建设。

中美俄三国在对重型运载火箭进行研发工作过程中都是采用了技术继承、分步实施、面向多任务应用的发展思路

余论

当前，中美俄三国在对重型运载火箭进行研发工作过程中都是采用了技术继承、分步实施、面向多任务应用的发展思路。但就中国的实际来说，由于航天技术的历史底蕴没有美俄深厚，在重型运载火箭的研发上，仍有必要汲取美俄的先进经验。以SLS重型火箭研制特点为例。NASA继承了20世纪的“土星”5号火箭、航天飞机项目的系统工程管理模式，实现了SLS重型运载火箭项目的组织与管理。NASA在SLS火箭研制过程中，充分继承成熟技术与设施，开展局部创新与改进，实现火箭的渐进式研制。SLS重型火箭继承了“大力神”5火箭先进的设计思想和技术方案，即两级氢氧子级捆绑2枚大推力固体助推器的构型方案，充分利用航天飞机时期的成熟技术，并进行局部的创新与改进，分三步逐步实现火箭在运载能力上的跨越。SLS项目严格奉行“经济性”原则，最大化利用现有成熟技术，以较低的初期研制成本尽快实现新一代高可靠性重型运载火箭的首飞。其中，通用芯级的设计和制造充分利用NASA在航天飞机外贮箱研制上积累的经验，以降低研制难度；五段式固体助推器由推力达到12 899千牛、加注量达到504吨的航天飞机四段式固体助推器改进而来；芯级RS-25主发动机继承了额定推力达到2100千牛、具备65%～109%大范围推力调节能力且单机可靠性达到0.9996的航天飞机主发动机技术；过渡型低温上面级则采用与“德尔塔”4火箭低温上面级相似的设计，采用真空比冲达到400多秒的RL10氢氧发动机技术。这些技术经过多次飞行试验验证，安全性和成熟度俱佳。借用类似技术可在保证可靠性的同时节省研制成本并缩短研制周期。对现有技术和成熟产品继承的同时，也促进了对现有研制设施和配套能力的继承。SLS重型运载火箭主要依托“土星”5号航天飞机时期的生产制造、试验和发射设施，主要包括：用于芯级、探索上面级研制的米丘德组装厂，用于芯级主发动机试车和芯级、探索上面级动力系统试车的斯坦尼斯航天中心A-1与B-2试验台，用于箭体垂直总装和活动发射的肯尼迪航天中心综合发射设施，以及飞马座驳船、多功能运输系统等运输设施，充分发挥相应的大直径结构制造能力、大吨位试验能力、垂直组装、试验与发射能力以及完善的运输能力。NASA还进行了新技术的发展和应用研究，以实现火箭系统的局部创新与改进，不断优化分系统性能，满足SLS 1B、SLS 2后续构型的性能需求。这些改进主要体现在：（1）开展铝锂合金和复合材料以及整体拉伸成型工艺研究，满足芯级、先进助推器以及上面级的轻量化设计和制造；（2）在发动机零部件制造上充分应用3D打印技术，以期缩短研制时间，降低研制成本；（3）评估了系列低温推进剂贮存技术，计划应用于SLS后续型号；（4）采用自适应增强控制技术，利用具备在线自主处理能力的AAC算法，优化SLS火箭的轨迹性能，提高火箭的飞行稳定性；（5）充分利用实验室的研究成果，如集成冷却与存储技术，计划基于该技术在发射区建造新型液氢储罐，以期提升液氢的使用效率。

此外，在SLS火箭项目上，NASA还遵循系统工程的理念，开展了覆盖组件、单机、分系统、系统的地面试验。首先，通过大量的缩比模型试验，在设计阶段积累了丰富的底部热环境、声环境等相关数据，为底部热防护设计、噪声抑制系统的研制等提供了支撑。第二，针对过渡型低温推进级、飞船支架和子级适配器的组合体，以及包括发动机段、箱间段、氢箱和氧箱在内的4个芯级结构，开展系列结构试验。在该项目下，NASA建造了专门的试验台，共进行了199次试验，重点验证了氢箱长时间（5小时）承受2.6倍飞行应力、氧箱承受1.7倍飞行载荷的结构性能，且预测载荷值与实际载荷值误差仅有2%～3%，有利于后续主要结构的优化设计。第三，针对用于前四次SLS任务的RS-25D芯级主发动机，开展了18次、累积时长近1万秒的点火试验，为评估新型热防护系统、入口压力、新型控制器等的性能提供了充分的试验数据，而对于用于后续任务的RS-25E一次性发动机，计划分3个阶段完成相关热试车，以评估采用总计37个新型组件（热等静压主燃烧室、3D打印POGO蓄压器等）的RS-25E发动机的性能。截至2021年10月13日，RS-25E的热试车工作已经进展到了第二阶段，共计完成了17次试验，已经验证了发动机的极限工作性能和113%额定推力能力，并验证了新型推力矢量控制系统的性能。此外，诺格公司在助推器研制过程中，进行了2次固体发动机的地面鉴定试验，主要解决了新型无石棉隔热层带来的气泡问题，为助推器的性能分析提供了全套数据。第四，开展了芯级动力系统试验，包括模态试验、电子系统试验、失效保护系统试验、主要推进系统组件试验、推力矢量控制系统试验、倒计时演练、推进剂加注试验，以及4台发动机点火试验，提前暴露出了液氢前置阀、液氧温度过高、阀门提前关闭、发动机提前关闭等问题，有利于进行设计改进，包括更换离合器组件、修改液氧加注流程、完善阀门关闭时序并重置计算机控制逻辑参数等，为飞行可靠性奠定了基础。在火箭飞行之前，NASA还完成了首飞火箭的综合性试验，验证了箭地连接系统和发射平台释放系统的性能，并进行箭体模态试验，收集了结构动力学数据。最后，为了确保芯级在制造、试验和发射设施之间的移动、起竖、安装等系列操作的顺利进行，波音公司（Boeing）制造了一枚“探路者”全尺寸芯级模拟件，在斯坦尼斯航天中心B-2试车台以及垂直组装大楼内成功完成起竖与安装，完成了相关操作流程演练。SLS重型运载火箭的研制以渐进式研制为思路，遵循NASA完善成熟的系统工程管理方法，以矩阵式组织模式、固定成本加奖励的合同管理模式以及全寿命周期的进度和质量管理模式实现了全美国几百家承包商的组织与项目实施；充分继承美国已有的成熟的重型火箭方案设计技术、大直径结构制造技术、大推力氢氧发动机技术、大推力固体发动机技术以及垂直组装、试验与发射设施和能力，并加以局部创新与改进；发挥高性能轻合金、复合材料等先进材料技术以及搅拌摩擦焊、拉伸成型、3D打印等先进制造技术在生产制造中的作用，降低结构质量，提升火箭性能；开展充分的缩比试验、结构模态试验、发动机热试车、子级动力系统试验，考核火箭产品方案的正确性以及技术的可行性，实现了SLS重型火箭近地轨道运载能力从70吨向130吨、地月转移轨道运载能力从27吨向46吨的跨越，并在保证高可靠性的同时在一定程度上降低了研制成本。这些经验在很大程度上是值得中国在研的“长征”5号G型、“长征”9号重型运载火箭借鉴的。

“长征”5号最大发射推力为1078吨，具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力（左）

2022年公布的我国新一代载人运载火箭方案（上）

结语

无论是载人登月、载人登火还是其他大型深空探测任务，都有赖于重型运载火箭提供的空间进入能力，而这类火箭的研制，就算对传统老牌航天强国而言都是桂冠上的钻石，难以摘取。在上世纪六七十年代就推出过“土星”5号这样经典之作的美国，其火箭研发能力位居世界首位，但根据现有成熟技术开发的SLS火箭，至今依然被各种顽疾所困，而当年苏联也曾为了比肩“土星”5号，研制了N-1系列重型运载火箭，但4次试射均遭遇失败，最后无奈下马，更直接导致苏联登月计划流产。在苏联解体后，尽管俄罗斯也制定了雄心勃勃的太空计划，并将重型运载火箭作为重中之重，但最终还是因为国力的严重衰退不得不忍痛放弃，重型运载火箭研制之难，可想而知，“长征”5号G、“长征”9号面临的高门槛也是可以想象的。不过黑格尔曾说，“需要一群仰望星空的人，他们不只是注意自己的脚下”。星空似乎有一种神奇的力量，让仰望它、凝视它的人，从“小我”的局限之中抽出身来，去思索更宏大的命题，我们的灵魂中植有一种不可抗拒的对于一切伟大的事物的渴望。

★李厚何

更新于：1天前