东山再起的重型运载火箭

作者:上海市宇航学会 来源:网络 2015-04-16 00:00
       2014年底,中国航天科技集团公司董事长雷凡培透露,我国正在规划重型运载火箭的发展构想,以满足未来重大航天工程任务,重型运载火箭研制成功后,可显著提高我国进入太空的能力。
       2015年1月,美国航宇局(NASA)投资研制的“太空发射系统”重型运载火箭发动机完成500秒点火试验。2015年底,美国太空探索技术公司将发射首枚“重型猎鹰”运载火箭。俄罗斯也开始研制重型运载火箭。由此可见,重型运载火箭正成为航天发展新趋势,主要是为了满足未来载人登月有、载人登陆火星或建造空间太阳能电站的发射需求。
       一般来讲,所谓重型运载火箭是指火箭起飞推力在3000吨以下,近地轨道运载能力在100吨左右的火箭。但近地轨道运载能力在50吨~100吨的火箭也可叫重型运载火箭,比较准确地说,它应叫准重型运载火箭。也有人把近地轨道运载能力在100吨左右的火箭叫超重型运载火箭。
       在冷战时期,美国和苏联曾分别研制出“土星”5号和“能源”号两种重型火箭。现在,由于美国、俄罗斯都把载人航天的未来目标都瞄准了月球、小行星和火星,所以,这两个航天强国在沉寂40年后,又都再次启动了重型运载火箭的研制工作。
       温故知新
       世界第一种发射成功的重型运载火箭是美国的“土星”5号,它在1969~1972年间,先后把7艘“阿波罗”载人登月飞船送入地月转移轨道,最终有12名美国航天员成功登月。
       “土星”5号是一种3级液体火箭,全长110.64米,最大直径10.06米,起飞2945.95吨,起飞推力34029千牛,近地轨道运载能力120吨,地月转移轨道运载能力为50吨。其第1级火箭采用液氧-煤油作推进剂,装5台F-1液体火箭发动机(中间1台,四周4台),总推力34029千牛;第2级采用液氧-液氢作推进剂,装5台J-2氢-氧液体火箭发动机(中间1台,四周4台),总推力5148千牛;第3级也采用液氧-液氢作推进剂,装1台J-2发动机,推力为902千牛。
       1972年12月7日“土星”5号发射了最后一艘载人登月飞船“阿波罗”17号后,又于1973年5月14日 把美国第1个空间站“天空实验室”送入轨道。此后,这一“巨无霸”因无用武之地而退役了。

   
美国“土星”5号重型火箭发射“阿波罗”              苏联“能源”号重型运载火箭
                                   11号载人登月飞船 
       在“土星”5号问世之后,苏联于1987年首次成功发射了“能源”号重型运载火箭。它是1种2级运载火箭,全长58.735米,最大直径18米,起飞2220吨,起飞推力35457千牛,近地轨道运载能力为100吨。是苏联第1种使用低温液氢-液氧发动机的运载火箭。其助推火箭有4枚,每乡试长37.7米,直径3.9米,使用RD-170液氧-煤油发动机,总推力4×7257千牛;其芯级全长58.735米,直径7.75米,装4台RD-0120液氢-液氧发动机,总推力4×1962千牛;其低温上面级全长16.47米,最大直径5.7米,推进剂为60吨液氧(前部贮箱)和10吨液氢(后部贮箱),使用单台主发动机,真空推力为75千牛~100千牛,发动机可启动10次。
       “能源”号是苏联为发射“暴风雪”号航天飞机而研制的。它于1987年5月15日首次试射,1988年11月15日又成功发射了无人驾驶的“暴风雪”号航天飞机。此后,该火箭再没有发射过,这是因为其运载能力太大,1993年“暴风雪”号航天飞机计划被取消后,适合用它来发射的有效载荷极少,所以也就随之消失了。
       打造新箭
       2014年,NASA公布了正在建造的全球最大的民用重型运载火箭——“太空发射系统”的最新照片。它由NASA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,可使此前的超级大力士——美国“土星”5号和苏联“能源”号都相形见绌。“太空发射系统”定于2017年首次试飞,有望在未来人类登陆火星任务中扮演重要角色。
美国“太空发射系统”重型运载火箭
       近几年,重型运载火箭之所再次受到美国的青睐,是因为美国已把载人航天的目标瞄准了月球、小行星和火星。为此,首先要研制出能发射大质量深空载人飞船的重型运载火箭。载人登月飞船一般在50吨左右,且其奔月时的速度要求为每秒10.9千米,因此需用近地轨道运载能力在60吨~120吨的重型运载火箭。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会更大,且飞行速度要达到每秒11.2千米的第二宇宙速度,因此需用运载能力更大的重型运载火箭。当年美苏竞争载人登月时苏联之所以败给美国,最重要的原因就是苏联研制的N1重型火箭4次发射均失败。由此可见,重型运载火箭在深空载人探测中具有举足轻重的作用。
“能源”号重型火箭发射“暴风雪”号航天飞机
       “太空发射系统”采用两级半构型,它不仅利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。其助推火箭5段式航天飞机助推器(它是在航天4段式固体助推器改进而来的,即增加第5段,增大火箭的运载能力和动力;改变推进剂药柱;采用更大的发动机喷管;采用先进的橡胶衬里防热材料);第1级芯级采用可以重复使用的航天飞机主发动机——RS-25D/25E液氢-液氧发动机,其初始构型的“太空发射系统”使用3台RS-25D,近地轨道运载能力为70吨,改进后构型的“太空发射系统”使用5台RS-25E,近地轨道运载能力为130吨;第2级芯级发动机J-2X是从“土星”5号火箭的J-2发动机改进而成的。“太空发射系统”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于有效载荷,以满足载人登陆小行星、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。
       初始构型的“太空发射系统”高97.5米,起飞2495吨,起飞推力37365千牛;助推火箭直径3.7米,推进剂为固体,数量2枚,发动机型号为5段式航天飞机助推器;第1级芯级直径8.38米,推进剂为液氢-液氧,3台RS-25D发动机,单台推力为1779千牛;第2级芯级直径5米,推进剂为液氢-液氧,1台RL10B-2发动机(现役“德尔他”4号火箭的第2级)。
       改进后构型的“太空发射系统”高122米,起飞2948吨,起飞推力40924千牛;助推火箭不变;第1级芯级直径8.38米,推进剂为液氢-液氧,5台RS-25E发动机,单台推力为1779千牛;第2级芯级直径8.38米,推进剂为液氢-液氧,1台J-2X发动机(也是“战神”5号的第2级)。
       最新进展
       “太空发射系统”使用的RS-25发动机于今年1月9日完成了第一次500秒的点火测试,从测试情况来看,RS-25的表现不错。
       RS-25是一种非常成熟的发动机,之前作为航天飞机动力系统的组成部分,“太空发射系统”将于2017年首次用于发射“猎户座”飞船,最终用于发射搭载航天员的深空探测飞船对小行星和火星进行探索。马歇尔太空飞行中心“太空发射系统”液体发动机办公室主任透露,他们已经对RS-25发动机进行了改进,能够满足“太空发射系统”火箭的箭体结构要求,还分析了“太空发射系统”火箭使用该发动机后的基本情况。
       今年4月,RS-25发动机将进行点火状态下的冷却水循环测试,它包括8次试验,共计3500秒。此后,RS-25发动机将10次测试,共计4500秒,其中包括新的飞行控制系统的测试等。
       “太空发射系统”将在肯尼迪航天中心的39B发射台升空。为此,NASA投资20亿美元对相关基础设施进行改造,包括一部“阿波罗”时代的履带式运输车和为“战神”1号火箭建造的移动发射平台。经过改装后的履带式的运输车重约2721吨,空车最高速度为每小时3.2千米,托运能力提高至8165吨。
       美国计划于2017年12月用初始构型的“太空发射系统”发射“猎户座”飞船进行无人绕月飞行,测试其70吨的近地轨道运载能力,并测试火箭各系统的集成性能;2021年8月发射“猎户座”飞船进行载人探索小行星;2032年开始使用改进后构型的“太空发射系统”,测试130吨的近地轨道运载能力。
       “猎鹰”展翅
       美国太空探索技术公司也在研制商用重型运载火箭——“重型猎鹰”,计划在今年底进行首次试射。该火箭是在目前使用的“猎鹰”9号火箭的基础上研制的两级液体火箭,由改进的“猎鹰”9号火箭捆绑两枚“猎鹰”9号的第1级作助推火箭组成。其近地轨道运载能力是53吨,地球静止轨道运载能力是19.5吨,地月转移轨道运载能力是16吨,地为转移黑道运载能力是14吨。它虽然无法一次发射地外星球任务所需的所有设备,但可以分批发射各种不同设备,然后在太空对接,组成大的航天器再飞往地外星球。这种采用多次发射再对接的方式可以降低重型运载火箭的研制难度,但对接次数不能太多,否则会增加成本且容易出现故障。
       “重型猎鹰”长69.2米,第1级直径11.6米,第2级3.66米,整流罩直径5.2米,起飞1400吨,起飞推力17000千牛,采用“隼”-1D液氧-煤油发动机。其第1级3×5600千牛;第2级采用单台“隼”-1D,推力445千牛。
       它将是第一种使用“交叉输送”技术的火箭,即2枚助推火箭和第1级芯级火箭内的推进剂可以对流,从而在助推火箭分离时,第1级芯级火箭仍能保留最多的推进剂,这等于增加了1级火箭。在发射较轻的航天器时,也可不使用“交叉输送”技术,以减少其复杂性和事故概率,即使这样,“重型猎鹰”的近地轨道运载能力也可以达到45吨。
       它将是第一种全面使用“2195铝锂合金”液氧-煤油发动机的火箭,可大大降低重量,质量比(加满推进剂质量/耗尽推进剂)超过30,而使用高比冲液氢-液氧发动机的“德尔他”4重型运载火箭的质量比仅为10。

测试RS-25发动机   “太空发射系统”是一个高约117米,
                美国“猎鹰重型”火箭重约3000吨的庞然大物
       该火箭顶部头锥体和箭体外层将全部采用超强度铝锂合金材料,后盖上面盖了特制的挡热板,以保护火箭的第1、2级在重返地球大气层时免遭烧坏损毁,从而便于回收利用。火箭重复使用技术能把火箭的发射费用降低一个数量级。
       该火箭的设计留有40%的结构冗余,而普通火箭仅有25%,所以“重型猎鹰”的可靠性非常高。它装备了三重冗余的航天电子设备和双重启动的级间分离螺栓。其第1级27台发动机,发射时如果其中在单台或多台发动机出现故障时,仍能完成发射任务。
       不过,“重型猎鹰”的研制也面临巨大挑战。例如,其第1级使用27台发动机同时启动,而此前采用此模式的苏联N-1重型火箭曾遭遇4次失败,因此这种设计带有很大的风险。不过,N-1火箭是第1级芯级采用30台NK-15发动机并联,底部最大直径17米,而“重型猎鹰”是通过并联助推火箭实现同时启动27台发动机,这可提供更大的发动机包络能力,同时也可降低对于芯级直径的需求。此外,“重型猎鹰”火箭的长径比高达19.2,这给箭体结构的设计提出了相当高的要求。
       美国太空探索技术公司还在考虑研制更为强大的“超级猎鹰”火箭,其运载能力将达到170吨。借助于这种火箭,无论是重返月球、进军火星或者其他更远天体都没有任何问题。该公司已也NASA签署一份合约,探索研制“超级猎鹰”的可能性。公司首席执行官马斯科希望抢在NASA前面,在10年~20年内把航天员送上火星。
       俄中计划
       早在2008年4月14日,俄罗斯赫鲁尼切夫国家宇航科研生产中心经理涅斯捷罗夫透露,该企业准备打造一枚能将45吨~175吨重货物送上轨道的重型运载火箭,它将采用液氧-煤油或液氢-液氧,甲烷也可作为一种燃料成分。
       2014年6月9日,俄罗斯联邦航天局局长奥斯塔片科透露,为实现登月计划,俄罗斯需要制造一个近地轨道运载能力为80吨~85吨的重型火箭。他详述了俄罗斯为在本世纪20年代末实现把航天员送上月球的目标而制造新型火箭的计划。他说:“计划的第一步不是要制造一个近地轨道运载能力120吨的火箭,那没有必要。我们现在把重点放在研制运力在80吨~85吨的火箭上,这对实现登月计划已经足够”。
       俄罗斯联邦航天局2014年8月份召开会议,商讨研制用于月球火星任务的重型运载火箭,它并不是“安加拉”火箭的翻新版,是独立的运载火箭。奥斯塔片科表示,“安加拉”火箭的运载能力在25吨以内,无法满足火星、月球、小行星、建立月球基地的任务要求,因此需要研制出全新超重型火箭,而且俄罗斯有能力研制出这样的火箭,奥斯塔片科还透露,俄罗斯将首先建造低地轨道运载能力为70吨~80吨的火箭,然后通过改造,火箭的运载能力逐步升至120吨,直至190吨。重载火箭的研制将会借鉴“安加拉”火箭的研制经验,尤其是发动机,这将大大降低成本。
       2014年9月2日,俄罗斯束紧总理罗戈津表示,普京总统赞同开始开发载重量达到150吨的重型火箭。这意味着,在开发“安加拉”系列火箭之后俄罗斯将开始研制全新的重型运载火箭。
       《2011年中国的航天》白皮书指出,我国正开展载人登月前期方案认证。研制重型火箭不仅可以用以发射载人登月飞船,还能用于发射载人火星飞船和建造空间太阳能电站等,所以前景广阔。
       2011年,我国火箭专家龙东豪院士在杂志上公开发表了有关我国发展重型火箭的两种初步总体方案的文章。方案A:助推器采用4台650吨推力级液氧煤油发动机,芯一级采用4台650吨推力级液氧煤油发动机,芯二级采用2台200吨推力级氢氧发动机,起飞4100吨,起飞推力5200吨,全箭总长98米,近地轨道运载能力130吨。方案B:助推器采用4个千吨推力级固体发动机,芯一级采用4台200吨推力级氢氧发动机,芯二级采用1台200吨推力级氢氧发动机,起飞4150吨,起飞推力5000吨,全箭总长101米,近地轨道运载能力133吨,重型火箭的箭体直径将达到9米级,起飞质量将达到3000吨。
       2014年12月有,中国航天科技集团公司董事长雷凡培说,我们计划通过四五年的时间,突破重型火箭总体设计、460吨液氧煤油发动机、220吨氢氧发动机和8.5米直径火箭结构设计制造等关键技术,为重型运载火箭工程研制打下基础。他透露,目前相关技术攻关工作已启动并取得实效。我们将组建重型运载火箭研制队伍,用15年左右的时间完成重型火箭研制,2030年左右实现首次飞行。
“太空发射系统”RS-25发动机进行500秒点火试验
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