中国大推力火箭

2011 年 9 月 29 日天宫一号目标飞行器发射成功 11 月 1 日中国将发射神舟八号飞船与其进 行中国第一次空间无人交会对接试验 国人在高兴的同时 不得不提的是中国还必须要发展更大推 力的火箭才能在未来执行空间站建设任务 而在目前 中国火箭技术还大幅落后于世界主流水平 中国最早的长征 2 号火箭其实就是用来发射了卫星的东风 5 号洲际导弹 长征长征 2 2 号火箭源于东风号火箭源于东风 5 5 号洲际导弹号洲际导弹 2011 年 9 月 29 日天宫一号目标飞行器发射成功 据报道 11 月 1 日还将进行神舟八号飞船的 发射 随后进行中国第一次空间无人交会对接试验 细心的朋友可能会发现 发射天宫一号的 CZ 2FT1 火箭的运载能力仅为 8600 千克 这还是经过改进增加了 100 千克运载能力的结果 长征二号 F 火箭凝聚了中国航天人过去数十年的努力 是中国运载能力最大的火箭之一 但对比美俄等航天 强国中国大推力运载火箭在运载能力和技术上仍存在巨大的差距 即使对比欧日这些后起之秀也略 逊一筹 和美国苏联类似 中国航天的运载火箭也源自弹道导弹项目 直至今日长征系列运载火箭仍 然和弹道导弹血脉相连 目前所用的长征二号系列火箭中最早的长征二号火箭 其实就是中国第一 种洲际弹道导弹东风五号导弹的衍生品 第一批次生产的 6 枚东风五号洲际导弹中 前 2 枚用于弹 道导弹测试称为东风五号洲际导弹 后 4 枚用于发射卫星改称长征二号运载火箭 从这段历史可以 看出早期的东风五号导弹和长征二号火箭实际上仅有发射载荷的区别 长征长征 2 2 号丙火箭发射成功率较高号丙火箭发射成功率较高 在 1974 年首次发射失败后 1975 年 11 月 26 日长征二号运载火箭发射成功 1974 年为了发 射研制中的静止轨道通信卫星 中国开始论证研制长征二号甲和长征二号乙火箭 第三级发动机分 别为使用常温偏二甲肼四氧化二氮推进剂的 YF 40 和使用低温氢氧推进剂的 YF 73 进入 20 世纪 80 年代以后中国继续改进东风五号和长征二号 诞生了第二批次东风五号和长 征二号丙运载火箭 长征二号丙运载火箭的 LEO 运载能力达到了 2400 千克 并大大提高了火箭的 可靠性 直到今年 8 月 18 日发射实践十一号 04 星失败 才打破长征二号丙运载火箭发射全程成 功的金身 正在向发射架转运中的神舟八号飞船与长征 2F 火箭的综合体 长征 2F 火箭在所有中国火箭 中可靠性指标最高 长征长征 2F2F 火箭在中国火箭中可靠性最高火箭在中国火箭中可靠性最高 20 世纪 80 年代中国运载火箭研究院和上海航天局继续改进长征系列运载火箭 在 90 年代取 得了全面的突破 为了满足发射大质量外国通信卫星的需求 研制了捆绑式运载火箭长征二号 E CZ 2E 它可将 9 2 吨的有效载荷送入倾角 28 5 度的 200 千米高度圆轨道 1990 年长征二号 E 火箭首次发射 使用 EPKM 发动机的火箭编号为长征二号 E ETS 可将 3 5 吨的卫星送入同步转移 轨道 1995 年长征二号 E ETS 火箭首次发射 长征二号 F CZ 2F 火箭在可靠性方面做了更多有益的探索 长征二号 F 火箭是中国按照高可 靠性和高安全性原则设计的第一种运载火箭 从而成为中国可靠性指标最高的火箭 长征 二号 F 火箭设计中广泛使用了冗余设计和裕度设计 针对中国工业水平不高元器件质量较差的的问题 进 一步提高了元器件质量等级要求和筛选标准 箭体结构设计 上提高了剩余强度系数 所使用的发 动机也加入了提高可靠性的设计 此外还用了钝感火工品降低火工品误爆的可能性 从而大幅度提 高安全性 在提高维护性上还 研制了更有效的故障检测系统 经过一系列设计上的改进 长征二 号 F 火箭可靠性指标从 0 91 提高到 0 97 保证了中国载人航天历次发射的成功 发射天宫 一号 的长征二号 F 火箭进一步改进设计提高可靠性 编号为长征二号 F G 长征 3B 火箭在中国火箭中运载能力最强 近地轨道的运载能力已达到 12 吨 不过相比日本 H IIB 火箭在近地轨道的 16 吨运载能力 已是明显落后 长征三号甲火箭应用氢氧发动机长征三号甲火箭应用氢氧发动机 20 世纪 80 年代中国运载火箭研究院成功研制了发射静止轨道卫星的长征三号火箭 1984 年 4 月 8 日成功将东方红二号通信卫星成功送入同步转移轨道 长征三号火箭可将 1600 千克的卫星 送入同步转移轨道 竞争静止轨道卫星发射失败的长征四号火箭取消 上海航天局以此为基础研制 了长征四号甲运载火箭 这同样是一个三级运载火箭 但主要用于发射太阳同步轨道卫星 它可将 1500 千克的卫星送入倾角 99 度 高度 901 千米的轨道太阳同步轨道 包括风云一号 风云三号在 内的很多太阳同步轨道卫星都是使用长征四号甲及其后继型号发射的 中国的部分侦察卫星和资源 卫星也使用长征四号系列运载火箭发射 应用新的 YF 75 氢氧发动机 运载火箭研究院将长征三号改进为长征三号甲运载火箭 长征 三号甲火箭一 二级和长征三号基本相同 第三级改用大推力的 YF 75 发动机并使用了数字化小型 控制系统 冷氦增压推进剂输送技术等先进技术 将同步转移轨道运载能力提升到 2 65 吨 1994 年长征三号甲火箭首次发射 今天印度运载能力最强的 GSLV MkI II 火箭的同步转移轨道运载能力 仅有 2 吨 无论长征二号 E 还是长征三号甲火箭的同步转移轨道运载能力都远高于此 长征三号乙火箭长征三号乙火箭 LEOLEO 能力达到能力达到 1212 吨吨 中国当时研制的东方红三代静止轨道通信卫星质量匹配长征三号甲火箭的运力 国内并没有 更大质量卫星的发射需求 但同期欧美大型通信卫星的质量已经开始飙升 为了招揽外星发射任务 中国运载火箭研究院研制了长征三号乙 CZ 3B 捆绑式运载火箭 它的芯级就是一枚长征三号甲火 箭 四枚液体助推器的组成布局和长征二号 E 火箭相同 长征三号乙运载火箭的同步转移轨道运载 能力增加到 5 吨 可以发射主流的静止轨道通信卫星 1997 年 8 月 20 日长征三号乙火箭成功将马 步海卫星送入同步转移轨道 此后长征三号乙火箭进行了各项改进 最新的长征三号乙增强型运载 火箭已经将同步转移轨道运载能力提高到 5 5 吨 理论上的 LEO 近地轨道 运载能力达到 12 吨 它是中国运载能力最强的运载火箭 美国在 60 年代的冷战时期就已发展出来至今其他国家都没能超越的土星五火箭 该火箭在近 地轨道运载能力达到了令人惊叹的 118 吨 中国火箭与发达国家仍有较大差距中国火箭与发达国家仍有较大差距 中国航天事业尤其是运载火箭数十年来的成绩 在发展中国家中可以说是独一无二的 印度 迄今为止研制使用的 PSLV 和 GSLV 火箭 其同步转移轨道运载能力分别只有 1 2 吨和 2 吨 以运载 能力衡量相当于中国 20 年前的水平 至于另一个发展中国家的大国巴西 甚至没有一次成功的运 载火箭发射 伊朗成功的发射了 2 颗卫星 但运载火箭的技术档次和运载能力尚不及中国长征一号 运载火箭的水平 不过这个世界上的航天列强多数是发达国家 面对美国 俄罗斯 欧洲和日本等 国家 中国运载火箭的技术和运载能力就要相形见绌了 美俄冷战时期火箭技术就已独步全球美俄冷战时期火箭技术就已独步全球 美国在 20 世纪 60 年代就研制了近地轨道运载能力 118 吨的土星五号运载火箭 1965 年开始 发射的大力神 3C 火箭的近地轨道运载能力就达到了 13 吨 70 年代研制的航天飞机轨道器具有将 29 吨有效载荷送入太空的能力 美国空军 80 年代还研制了近地轨道运载能力达到 21 吨的大力神 4 火箭作为航天飞机不能满足军用任务时的备份 作为冷战时代针锋相对的对手 虽然近百吨运载能力的 N1 火箭研制失败 但 1965 年苏联的 质子号运载火箭首次发射 到 1968 年三级火箭结构的质子火箭投入使用时 近地轨道运载能力达 到了 21 吨 在 1987 年能源号火箭首次发射前 质子火箭一直是苏联运载能力最大的运载火箭 日本近年来的技术快速跃进 其 H IIB 运载火箭已经 2 次成功完成向国际空间站发射总重约 16 5 吨的 HTV 货运飞船的任务 冷战后日欧火箭技术实现快速跃进冷战后日欧火箭技术实现快速跃进 冷战结束后国际航天界普遍认为会迎来静止轨道通信卫星应用的大爆发 因此美国 欧洲和 日本都竞相发展新一代运载火箭 俄罗斯和中国则将发射报价低廉的质子火箭和长征三号火箭投入 市场 美国研制航天飞机降低发射费用的努力失败 1986 年挑战者号航天飞机事故后美国空军和 航天局分道扬镳 并在 20 世纪 90 年代主导研制了渐进一次性运载火箭 EELV EELV 包含两种运 载火箭 分别是宇宙神 5 和德尔塔 4 在 2002 和 2003 年先后投入使用 服役型号的最大运载能力 分别是近地轨道 19 吨和 22 5 吨 同步转移轨道 8 7 吨和 13 吨 欧洲航天局新研制的阿里安 5 运载火箭于 1996 年首次发射 其同步转移轨道运载能力约 6 2 吨 近地轨道运载能力约 16 吨 阿里安 5 继续发展出 5G 5GS 5ES 和 5ECA 等型号 最新的阿里 安 5ECA 火箭运载能力达到了同步转移轨道 10 5 吨 用于发射自动转移飞行器的阿里安 5ES 火箭的 近地轨道运载能力达到了 21 吨 完全具备了和美俄主流运载火箭分庭抗礼的水平 日本宇宙开发集团 NASDA 研制的 H II 型运载火箭 1994 年首次发射 H II 火箭同步转移轨道 运载能力约吨 近地轨道运载能力约 10 吨 由于 H II 火箭发射成本高昂 宇宙开发集团转而研制 新的 H IIA 火箭 H II 火箭后来的连续失败加速了这一过程 2001 年 H IIA 火箭首次发射成功 H IIA 火箭使用模块化设计 通过捆绑不同的固体助推器覆盖主流的静止轨道通信卫星发射能力需 求 其同步转移轨道运载能力从 4 到 6 吨不等 为了发射国际空间站所用的 H II 火箭转移飞行器 日本进一步研制了 H IIB 火箭 其同步转移轨道运载能力达到了 8 吨 国际空间站轨道运载能力约 16 5 吨 美欧日德新一代运载火箭彻底摆脱了弹道导弹技术的影子 是为航天发射尤其是商业发射专 门研制的运载火箭 具有通用化 组合化和系列化的特点 不仅使用了各种新技术 还显著降低了 发射费用 虽然技术上有所不如 但俄罗斯的质子火箭在运载能力仍可与美欧日的新一代火箭媲美 同时发射报价要低得多 长征 5 号火箭将使用的 50 吨级 YF 77 氢氧发动机 图左 和 120 吨级 YF 100 液氧煤油发动机 图右 这将可让长征 5 号的推力水平达到国外主流运载火箭的水平 火箭发动机技术制约中国火箭推力提高火箭发动机技术制约中国火箭推力提高 相比之下中国运载火箭就要逊色得多 1997 年首次发射成功的长征三号乙运载火箭的同步转 移轨道运载能力仅有 5 1 吨 长征二号 E 火箭的近地轨道运载能力仅有 9 2 吨 与世界主流水平拉 开了很大差距 为了追赶国际先进水平 中国航天部门展开了新一代运载火箭的研究 其中长征五号大推力 运载火箭 2006 年正式立项 计划 2014 年首次发射 长征五号火箭同样使用通用化 组合化和系列 化设计 以 50 吨级 YF 77 氢氧发动机和 120 吨级 YF 100 液氧煤油发动机搭配组合 引入 5 米直径 火箭箭体 设计方案覆盖了同步转移轨道运载能力 6 到 14 吨 近地轨道 10 到 25 吨的范围 最大 运载能力达到了国外主流运载火箭的水平 但这并不意味着中国大推力运载火箭技术也达到同步的 水平 长征五号火箭尤其是发动机等各种技术与发达国家仍然存在一定的差距 这是我们需要正视 的现实 中国现有的长征二号 三号和四号运载火箭的第一级 第二级设计大同小异 其主发动机是 20 世纪 60 年代开始研制的 YF 20 发动机及其衍生版本 YF 20 发动机推力仅有 75 吨左右 这是制 约现有长征火箭运载能力的核心因素 中国火箭发动机技术上与其他航天强国的差距 要比运载火 箭的差距更大 中国长征火箭家族 中国未来如若要实现火箭技术的大幅度提升 那就必须研制技术水平更 高 推力更大的新型火箭发动机 中国火箭发动机技术全面落后中国火箭发动机技术全面落后 长征二号 F 火箭第一级就需要 8 台 YF 20 发动机但近地轨道运载能力仅为 8 6 吨 为了实现 比肩航天强国的运载能力 近地轨道运力 25 吨的长征五号 B 构型和同步转移轨道运力 14 吨的 E 构 型第一级都要使用 2 台 YF 77 外加 8 台 YF 100 发动机 第一级发动机数量比现有长征二号 F 进一 步增加 拥有大推力火箭发动机的航天强国新一代火箭则要强得多 美国重型德尔塔 4 使用了地面推 力 300 吨的大推力氢氧发动机 RS 68 整枚火箭只需要 3 台 RS 68 外加 1 台 RL10B 2 发动机 即可 达到 200 千米圆轨道 25 吨的近地轨道运载能力 从未获得订货的重型宇宙神 5 火箭近地轨道运载 能力可达 29 吨 它使用地面推力 390 吨