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最近中(zhōng)國航天很忙，從5月5日到7月9日兩個月時間，就實施了10次發射，先後由長征五号B、快舟一(yī)号甲、長征十一(yī)号等型号運載火(huǒ)箭，執行了新一(yī)代載人飛船試驗船以及多顆衛星的發射任務。

衆所周知(zhī)，火(huǒ)箭是用于航天活動的運載工(gōng)具。正如地面上有不同種類的汽車(chē)，火(huǒ)箭也分(fēn)爲不同型号，“力氣”有大(dà)有小(xiǎo)，根據各自的特點和運載能力，執行不同的任務。

那麽，火(huǒ)箭按照運載能力如何分(fēn)類，不同類型的火(huǒ)箭發動機有何特點，火(huǒ)箭的運載能力又(yòu)該如何提升？中(zhōng)國航天科技集團一(yī)院(以下(xià)簡稱一(yī)院)型号設計師錢航以長征系列運載火(huǒ)箭爲例，向科技日報記者進行了介紹。

不同類型火(huǒ)箭各有所長

今年5月5日，長征五号B運載火(huǒ)箭在我(wǒ)國文昌航天發射場升空，上演了首秀。未來，這型“大(dà)火(huǒ)箭”将在中(zhōng)國空間站建設中(zhōng)發揮重要作用。

把長征五号稱爲“大(dà)火(huǒ)箭”，可不光指個頭。錢航介紹說，按照運載能力大(dà)小(xiǎo)，運載火(huǒ)箭可以分(fēn)爲小(xiǎo)型、中(zhōng)型、大(dà)型和重型(超重型)4類。不同類型的火(huǒ)箭各有所長。

目前這種分(fēn)類方法尚無統一(yī)的量化标準，我(wǒ)國航天界一(yī)般将近地軌道運載能力在20噸至100噸的運載火(huǒ)箭，以及其衍生(shēng)構型稱爲大(dà)型運載火(huǒ)箭。

由一(yī)院抓總研制的我(wǒ)國新一(yī)代大(dà)型運載火(huǒ)箭長征五号系列，目前發射過2種構型。長征五号B爲一(yī)級半火(huǒ)箭，是我(wǒ)國現役運載火(huǒ)箭中(zhōng)唯一(yī)一(yī)款無需級間分(fēn)離(lí)，可以直接發射入軌的火(huǒ)箭，可靠性大(dà)爲提升。同時具備超過22噸的近地軌道運載能力。這些特點，讓它成爲承擔我(wǒ)國空間站艙段發射任務的不二之選。長征五号基礎型則爲兩級半構型火(huǒ)箭，雖然其近地軌道運載能力可以達到25噸以上，但它的任務卻主要瞄向更深遠的太空。

長征五号火(huǒ)箭地球同步轉移軌道運載能力約爲14噸，可以承擔基于東方紅五号平台研制的大(dà)型通信衛星發射任務。該型火(huǒ)箭還具備8噸以上的地月轉移軌道運載能力，以及5噸左右的地火(huǒ)轉移軌道運載能力。按計劃，2020年我(wǒ)國将先後用長征五号火(huǒ)箭發射天問一(yī)号火(huǒ)星探測器以及嫦娥五号月球探測器。

中(zhōng)型運載火(huǒ)箭的近地軌道運載能力，通常在2噸至20噸。在長征火(huǒ)箭家族中(zhōng)，這一(yī)類别的火(huǒ)箭陣容龐大(dà)。曾經承擔全部北(běi)鬥衛星以及嫦娥系列探測器發射任務，被譽爲“金牌火(huǒ)箭”的長三甲系列運載火(huǒ)箭；完成11艘神舟飛船和天宮一(yī)号、二号空間實驗室發射任務的長征二号F運載火(huǒ)箭；以及在未來空間站任務中(zhōng)主要用于發射貨運飛船的新一(yī)代運載火(huǒ)箭長征七号，都是我(wǒ)國中(zhōng)型火(huǒ)箭的代表。

近地軌道運載能力低于2噸的，被稱爲小(xiǎo)型運載火(huǒ)箭。可别小(xiǎo)看它們，在微小(xiǎo)衛星市場日益繁榮的今天，“小(xiǎo)火(huǒ)箭”也有大(dà)作爲。以我(wǒ)國新一(yī)代小(xiǎo)型運載火(huǒ)箭長征十一(yī)号爲例，作爲長征火(huǒ)箭家族中(zhōng)首型固體(tǐ)運載火(huǒ)箭，它的近地軌道運載能力約爲700公斤，700公裏太陽同步軌道運載能力約400公斤，同時具備在接到任務命令後24小(xiǎo)時内完成技術準備并發射的能力，可以滿足在應急情況下(xià)快速、機動發射衛星的需求。

此外(wài)，具備低、中(zhōng)、高軌道發射能力，近地軌道運載能力超過百噸，起飛推力達到3000噸級的，則屬于重型運載火(huǒ)箭，其代表包括美國曾用于執行阿波羅載人登月任務的土星五号火(huǒ)箭，由蘇聯研制、至今保持運載能力世界紀錄的能源号火(huǒ)箭等。

固體(tǐ)、液體(tǐ)發動機不分(fēn)優劣

近年來面對不斷增長的空間資(zī)源開(kāi)發需求和日益激烈的商(shāng)業發射市場競争，我(wǒ)國開(kāi)發出長征五号等4種型号的新一(yī)代大(dà)型、中(zhōng)型、小(xiǎo)型運載火(huǒ)箭。錢航說，新一(yī)代運載火(huǒ)箭以可靠、安全、經濟爲主要設計原則，采用無毒環保、價格便宜、比沖(是對火(huǒ)箭推進劑利用效率的一(yī)種描述，指單位推進劑的量所産生(shēng)的沖量)較高的液氫、液氧或液氧煤油發動機。那麽這是不是意味着液體(tǐ)燃料發動機比固體(tǐ)燃料發動機更好、運力更大(dà)呢？

錢航說，液體(tǐ)燃料發動機優點是燃料能量密度高，比沖大(dà)，容易實現流量控制，可以用于機動或變軌。不過液體(tǐ)燃料不易儲存，大(dà)多需要在火(huǒ)箭發射前加注。我(wǒ)國傳統液體(tǐ)燃料發動機火(huǒ)箭所用的偏二甲肼、四氧化二氮燃料，更是有劇毒、強腐蝕性，且易燃易爆，十分(fēn)危險，對儲存和加注工(gōng)作有着極爲嚴苛的要求。近年我(wǒ)國陸續問世的新一(yī)代運載火(huǒ)箭，采用了液氫、液氧、煤油等綠色燃料，對環境基本不會造成影響，但存儲和加注工(gōng)作則更加複雜(zá)。

固體(tǐ)燃料發動機的基本原理是點燃藥柱，燃燒産生(shēng)大(dà)量高溫氣體(tǐ)從噴管噴出，推動火(huǒ)箭前進。相比宋代就誕生(shēng)的火(huǒ)藥玩具“竄天猴”，其結構和原理并沒有太大(dà)改變。錢航介紹，固體(tǐ)燃料發動機主要有3方面優點。首先，相比液體(tǐ)燃料發動機，其不需要燃料泵等複雜(zá)的機械結構，結構更爲簡單且造價低廉；其次，由于藥柱是以固态形式存在，其特性比液體(tǐ)燃料更穩定，儲存起來也更安全；此外(wài)，由于結構簡單，固體(tǐ)燃料發動機可以做得很輕，也更易于小(xiǎo)型化。不過固體(tǐ)燃料發動機也有其劣勢。例如燃燒時間相對較短，比沖較小(xiǎo)，不能重複點火(huǒ)，也很難實現推力調節。這都對它的任務适應性造成了制約。

火(huǒ)箭發動機形式不分(fēn)優劣，也不能決定火(huǒ)箭的運載能力。雖然目前國内主要的固體(tǐ)燃料發動機運載火(huǒ)箭如長征十一(yī)号，以及由中(zhōng)國航天科工(gōng)集團研制的快舟一(yī)号甲均爲小(xiǎo)型運載火(huǒ)箭，但在美國正在研制的SLS重型運載火(huǒ)箭身上，也裝着世界上推力最大(dà)的固體(tǐ)燃料火(huǒ)箭發動機。

4項措施可有效提升火(huǒ)箭運力

運載能力是火(huǒ)箭性能最直接、最重要的參數指标。錢航介紹說，火(huǒ)箭的運力主要由火(huǒ)箭總體(tǐ)設計水平、發動機性能與制造水平、箭體(tǐ)結構設計與制造水平等多種因素決定。

他表示，想要提高火(huǒ)箭運載能力，主要有4方面措施。首先是在保持火(huǒ)箭構型不變的情況下(xià)，通過優化級間比(第i級火(huǒ)箭的質量除以第i+1級火(huǒ)箭的質量，是影響火(huǒ)箭理想速度的參數之一(yī))，增加推進劑的加注量。長征三号甲系列、歐洲的阿裏安5系列，以及美國的獵鷹九号運載火(huǒ)箭，都是通過這項措施，使運載能力顯著提高。

結構優化減重是運載器設計的永恒主題。在今年7月9日實施的亞太6D衛星發射任務中(zhōng)，長征三号乙運載火(huǒ)箭就是通過減重的方法，将運載能力提升了50公斤，以滿足發射要求。錢航介紹，在運載器設計和應用前期，主要是通過改進工(gōng)藝、選用新材料、優化傳力路徑等方式提高結構效率。火(huǒ)箭對箭體(tǐ)結構系統的輕質化設計有着更高要求，一(yī)院火(huǒ)箭技術團隊經過大(dà)量仿真計算和試驗，提出了主捆綁及發動機集中(zhōng)力“雙擴散”結構、超大(dà)氣瓶變形自适應支撐結構、捆綁起吊多功能一(yī)體(tǐ)化結構等多項新型輕質設計方案，收效良好。

發動機性能優劣，直接影響着火(huǒ)箭運載能力。在美國航天飛機、獵鷹九号火(huǒ)箭的運力提升舉措中(zhōng)，提高發動機推力和比沖是重要環節之一(yī)。我(wǒ)國在長征五号運載火(huǒ)箭上使用了首次研制的膨脹循環動力方式氫氧發動機，這是目前國際上比沖性能最高的火(huǒ)箭發動機，并且具有高空多次啓動能力。

此外(wài)，總體(tǐ)優化設計也是提升火(huǒ)箭運力的有效途徑。錢航表示，從火(huǒ)箭總體(tǐ)構型考慮，可盡量選用推力大(dà)的發動機作爲基礎級動力，爲上面級選用高比沖發動機，并開(kāi)展載荷姿控聯合設計降低結構載荷條件，均可有效提升火(huǒ)箭運載能力。

(來源:科技日報)