專家披露中國空天飛機首飛時間 採用一級背二級

亟待攻克的運載火箭及其發動機核心技術

葛明龍 葛佳

前言

我國重型運載火箭長征九號即將立項的消息一經傳出，關心我國航天事業發展的航天迷們充滿期待。但美國太空探索技術公司SpaceX建造的獵鷹重型火箭成功首飛後，大家又把讚賞的目光投向這家新興的民營航天企業。中美兩國的運載火箭發展格局究竟怎樣？運載火箭及其發動機的核心技術是什麼？我國該如何走一條自己的運載火箭發展之路？筆者以航天技術人員的視角，試圖找到答案，以饗讀者。

作為第一代航天人的第一作者，先行研究提出了無毒雙組元推進劑系列火箭推力室、三組元推進劑推力室、切換燃料推力室、空天發動機等發明。第二作者是正參與研製新一代運載火箭的新一輩航天人。我們發表自己的看法主要是為了能"提高關鍵核心技術創新能力"，利於攻克運載火箭及其發動機核心技術。

1. 中美兩國的運載火箭發展格局

1.1 美國宇航局的載人登月用土星-5運載火箭

早在1969年，美國宇航局NASA研製的土星-5運載火箭把阿波羅11號飛船送往月球軌道，實現載人登月。

直徑10米和長度42米的一級火箭用五台單機推力680噸的F-1液氧煤油發動機推進。直徑10米和長度25米的二級火箭用五台單機推力89噸的J-2液氧液氫發動機推進。直徑6.6米和長度18.8米的三級火箭用一台J-2液氧液氫主發動機推進。火箭總長度110.6米，起飛質量3038.5噸，月球軌道載荷45噸，近地軌道載荷118噸。F-1的燃燒室壓力為較低的6MPa，J-2的室壓也較低，都採用簡單的氣體發生器循環系統。用可靠的隔板抑制??穩定燃燒，技術難度較小。F-1的海平面比衝263秒，J-2的真空比衝421秒。

從肯尼迪總統1960年決策，到1969年實現首次載人登月，僅僅用了9年時間。這種令人難以置信的高速度反映出美國航天的高效率和高水平。阿波羅飛船載人飛行11次。共將24名宇航員送往繞月飛行軌道並安全返回，其中登月共12人。這種讓人信服的成就體現了美國航天的高可靠性。整個載人登月工程僅耗費了當時的257億美元，説明美國航天注重經濟性。

1.2 美國宇航局的載人登火星用SLS Block2運載火箭

NASA設計的太空發射系統(Space Launch System，簡稱SLS)Block2運載火箭是用單機推力1542噸的兩個巨型固體火箭發動機助推(也在考慮改用液體火箭發動機推進)。芯級火箭則用四個單機推力226.8噸的RS-25高壓補燃液氧液氫發動機推進，真空比衝452秒。這兩種發動機是發射航天飛機用發動機的改型，技術繼承性好。二級用一台133噸推力的J-2X液氧液氫主發動機，真空比衝448秒。芯級火箭直徑8.4米，運載火箭總長度122米，起飛質量2951噸，近地軌道載荷130噸。該火箭計劃於2024年首飛，進行不載人登火星飛行若干年，然後再進行載人登火星飛行。

1.3 美國民營SpaceX公司的獵鷹重型火箭(FHR)和大獵鷹火箭(BFR)

獵鷹重型火箭(Falcon Heavy Rocket簡稱FHR)是一款由SpaceX建造的可重複使用運載火箭，於2018年2月7日成功發射。這種具有載人繞月飛行能力的火箭，一級是由三個獵鷹9號火箭一級並聯而成。打破常規共並聯27個單機推力86噸(兩側火箭)和81.3噸(中心火箭)的梅林-1D液氧煤油發動機。二級火箭也用真空推力93.2 噸的梅林-1D發動機。該發動機釆用較高室壓9.7MPa的氣體發生器循環系統，海平面比衝282秒，真空比衝311秒。具有與一級火箭垂直降落回收和二級提高推進性能相適應的40%~100%節流變推力能力。兩側火箭先行熄火、分離和垂直降落回收。間隔30秒後中心火箭熄火，與二級分離和垂直降落回收。重複使用次數開始只有一次，現正在努力爭取不少於10次。該火箭的直徑3.66 米，總長度70米，總寬度12.2米，起飛質量1421噸，起飛推力2280噸，近地軌道載荷63.8噸。

在FHR基礎上又設計了大獵鷹火箭(BFR)，可完全重複使用，起飛質量4400噸，近地軌道載荷150噸。是由火箭部分和運輸倉組成。火箭直徑9米，由31台猛禽Raptor發動機推進。結構質量85噸和外部有可重複使用隔熱罩的運輸倉，用6台猛禽Raptor發動機推進。運輸倉有效體積825立方米，大於A380客機的體積。除行李艙、廚房和太陽能風暴輻射防護所外，客艙內可搭載80~200名參加太空遊的旅客。BFR還要求在軌道上能進行加註燃料。