中国载人航天工程六

1、中国载人航天工程六 中国载人航天工程目前采用的是长征2F运载火箭这是中国以原有的长征2E火箭为基础为载人航天任务专门研制的运载火箭。长征2F火箭着重提高安全性长征2E火箭又称长征二号捆绑火箭是20世纪80年代末为发射商业通信卫星而研制的捆绑式火箭它的研制使中国运载火箭200千米高度近地轨道(LEO)发射能力从长征二号的2.4吨增加到约8.8吨。不过长征2E火箭的可靠性并不算高总计7次发射中就有2次失败这个可靠性完全无法满足载人航天的需求。长征2F火箭总的设计原则是确保运载火箭的可靠性和航天员的安全尽可能实现一度故障工作、二度故障安全的设计思想。为了达到载人运载火箭的可靠性和安全性在设计中首先注

2、重实用成熟的设计技术和生产工艺如沿用长征2E火箭原有的四个助推器、芯一级、芯二级等成熟部件力图通过过去几十年积累的设计、工艺和制造经验保证可靠性；其次广泛采用冗余和裕度设计技术对可靠性影响较大的部件实行冗余设计对不能进行冗余设计的进行裕度设计尽可能降低运载火箭整体复杂程度和器件质量水平对可靠性的影响；此外针对火工品误炸的问题全面使用钝感火工品降低误炸可能；最后增加了逃逸塔和故障检测处理系统。通过这些可靠性和安全性的改进长征二号F火箭成为中国目前可靠性设计指标最高的火箭保证了中国载人航天发射的安全可靠将可靠性提高到0.97安全性指标为0.997。长征2F运载火箭性能简介长征2F运载火箭沿用了长征

3、2E的两级半构型由4个助推器、芯一级、芯二级、飞船整流罩、逃逸塔组成火箭全长58.3米起飞总质量479.8吨是中国已有运载火箭中最高最重的设计。长征二号F火箭可将超过7.8吨的载荷送入轨道倾角42.4度、轨道高度200X350千米的轨道200千米圆轨道的运载能力约8.6吨。作为中国载人航天的唯一运载工具长征2F火箭自1999年以来神舟一号到神舟七号历次发射均圆满成功。天宫一号由长征2F/G火箭发射随着中国载人航天工程进行第二阶段长征2F原有的运载能力已难以满足更重航天器的发射需求。今年9月天宫一号空间实验室发射将采用经过改进的长征2F/G运载火箭(G表示改进)。长征2F/G火箭在长征2F基础上

4、作了少许改进主要是助推器略微加长改用双激光惯组主从冗余运载能力略有提高。天宫系列空间实验室的发射重量在8.5至9吨之间长征2F/G已够用所以预料天宫二号、天宫三号仍由长征2F/G火箭发射。长征2F/H改用液氧煤油发动机但天宫三号发射后需要与货运飞船对接进行货运补给试验。以天宫系列空间实验室为基础设计的 货运飞船上行货运能力达到约6吨飞船总重量约13吨明显超出现有长征2F/G火箭约9吨的运载能力。因此中国计划研制新一代的长征2F/H运载火箭（H表示换）来发射货运飞船。长征2F/H比起长征2F有大幅改进主要是将原来的偏二甲肼-四氧化二氮发动机改为与长征5号配套的YF-100液氧煤油发动机电气系统和

5、地面测发控系统使用一体化设计。YF-100液氧煤油发动机推力比以往的发动机大使得长征2F/H火箭的运载能力提高到13吨满足发射货运飞船的需求。另外推进剂改为液氧煤油取代剧毒的偏二甲肼-四氧化二氮对环境保护也大有好处。长征3B运载火箭性能简介尽管长征2F是国内发射重量最大的运载火箭但从理论上说中国LEO（近地轨道）运载能力最大的火箭是长征3B火箭。长征3B运载火箭灵活使用了模块化、系列化和通用化的设计思想以长征3A火箭进行适应性修改作为芯级借鉴长征2E火箭捆绑助推器的经验增加了四个液体助推器从而获得了更大的运载能力。长征3B火箭全长54.84米起飞质量425吨芯一级和芯二级直径3.35米、助推器

6、直径2.25米三子级直径3米整流罩最大直径4米。长征三号B运载火箭的GTO(同步转移轨道)运载能力约5.1吨近年来增强版本长征三号BE进一步增加到5.5吨理论上的LEO（近地轨道）运载能力分别为11.2吨和12吨。在长征5号等新一代运载火箭服役前长征三号B火箭仍将是中国发射大型通信卫星的主力也是唯一可将3.5吨的嫦娥三号和四号软着陆落月探测器发射进月球轨道的火箭。长征3B运载能力仍然偏小2010年末长城公司发布的用户手册显示中国还有将长征3B火箭的GTO运载能力进一步增加到6吨的方案这个运载能力将达到欧洲空间局Ariane 5G火箭的水平不过这基本是长征3B火箭设计的极限。1997年首次发射成

7、功长征3B火箭是中国竞争商业航天市场的主力也是国内唯一具备向GTO发射大型载荷的运载火箭。但对比其他航天强国的运载火箭其运载能力并不算突出当时仅仅比的H-II火箭略强。多年后的今天增强型的长征3BE虽然GTO运力增加到了5.5吨但GTO运力8吨的H-IIB火箭已经投入使用。在当今世界主要航天国家中中国大推力火箭的运载能力是尴尬的倒数第二仅领先于印度但就发射规模来说印度并不算一个真正的航天强国。说起大推力运载火箭人们很容易想起登月的土星5火箭和苏联的能源火箭不过这些LEO运载能力百吨级的巨型运载火箭任务单一早已退役多年。当前世界上主流的大型运载火箭的LEO运载能力为20吨左右、GTO运载能力在8

8、12吨级远高于中国运力最大的长征3B火箭。 美国作为航天头号强国美国一次性大型运载火箭现在基本由联合发射联盟垄断联合发射联盟拥有LEO运载能力约19.8吨、GTO约9吨的宇宙神5(Atlas V) 551大型运载火箭还有LEO运载能力约22.5吨、GTO约13吨、GEO（地球同步静止轨道）发射能力约6.3吨的德尔塔4(Delta IV) Heavy重型运载火箭。德尔塔4火箭还是世界上唯一的全氢氧发动机设计运载系数位列世界第一。俄罗斯俄罗斯则继承了苏联时代留下的质子(roton)火箭并有所发展质子火箭的LEO运载能力达到了21吨、GTO运载能力约6吨。类似Delta 4火箭它也有直接将卫星发射进

9、GEO（地球同步静止轨道）的能力GEO运载能力约3.5吨。欧洲相比美苏两强早在20世纪60年代就研制了百吨级和20吨级大型运载火箭其他国家的大型运载火箭发展较晚。1996年欧洲空间局的Ariane 5 G火箭首次试射它的LEO运载能力达到了16吨、GTO运载能力约6吨。到了今天Ariane 5 ES的LEO运载能力达到了21吨、Ariane 5 ECA的GTO运载能力达到了10.5吨。1994年首次发射了新一代的H-II火箭连续失败后又发展了新的H-IIA火箭并于2001年首次发射。H-IIA火箭设计中曾包括GTO7.5吨和9.5吨的H-IIA 212和222构型但这些使用液体助推器的型号已经

10、取消。即使如此已有的H-IIA 204型火箭仍然实现了约15吨的LEO运载能力和6吨的GTO运载能力。最新的H-IIB火箭则进一步跻身大型运载火箭之列具有19吨LEO、16.5吨国际空间站轨道和8吨GTO运载能力。长征五号计划于2014年首次发射对比国外主流大型运载火箭中国现有运载火箭的能力大有不足。如果说此前缺乏大质量载荷的发射任务属于有效需求不足没有发展的话那么随着空间站20吨级大型舱段、质量6.57吨的东方红五号大型通信卫星以及探月计划三期的大型取样返回月球探测器的研制中国运载火箭的运力已经成为瓶颈。所以中国在多年前就开始规划设计新一代大型运载火箭这就是长征五号运载火箭及其衍生型号。长征

11、五号运载火箭在2006年正式立项计划2014年左右在海南文昌首次发射使用长征五号技术的3.35米直径的长征七号中型运载火箭和3.35米直径的长征六号小型运载火箭也先后开始研制。运载能力达到世界先进水平长征五号运载火箭作为中国运载火箭更新换代、追赶国际先进水平的关键一步在主要性能指标上已经达到或超过国际主流大型运载火箭的水平。长征五号运载火箭基于120吨级推力的YF-100液氧煤油发动机和50吨级推力的YF-77液氢液氧发动机研制设计中贯彻模块化、通用化和系列化的设计思想以5米直径芯级为核心分别捆绑不同数量的3.35米和2.25米直径的助推器。LEO 发射使用一级半构型即一个芯级、捆绑助推器GT

12、O增加了基于YF-75D氢氧发动机的上面级构成了AF六个型号的长征五号火箭覆盖了LEO1025吨、GTO614吨的运力范围。其中与未来空间站建设紧密相关的是长征5A、长征5B和长征5C长征5B的LEO运载能力为25吨可用于发射未来空间站的核心舱和实验舱；长征5A的LEO运载能力为18吨可用于发射货运飞船；长征5C的LEO运载能力为10吨可用于发射神舟载人飞船。长征五号火箭单纯从运载能力上说LEO和GTO的最大运力都达到或超过了现有主流大型运载火箭但国外也有运力更大的火箭在研制中这点将来时的优势并不值得沾沾自喜更重要的是长征五号的发动机在技术上与世界先进水平仍然有较大差距。新型火箭发动机性能落后

13、长征五号运载火箭基于120吨级推力的YF-100液氧煤油发动机和50吨级推力的YF-77液氢液氧发动机。这两款新型发动机的推力和比冲都较小尚未实用、性能已经落后导致长征5号各构型需要使用的发动机数量都比较多。如系列中运载能力最强的长征5E共有8台YF-100液氧煤油发动机、2台YF-77和2台YF-75D氢氧发动机；而运载能力相当的美国重型德尔塔4只有4台氢氧发动机。发动机数量过多会增加火箭制造成本、也会对火箭发射的可靠系数带来影响。考察液体火箭发动机主要有2个指标一个是最大推力另外一个是比冲。在相同的发射重量下火箭发动机的比冲越高火箭的运载能力就越强；火箭发动机最大推力越大所需的发动机数量就

14、越少。多国火箭发动机横向比较国外目前均采用推力较大、比冲较高的高性能火箭发动机以上文提到的各国大型运载火箭为例美国宇宙神5火箭使用引进的俄罗斯RD-180液氧煤油发动机真空最大推力4320千牛真空比冲337.8秒；俄罗斯质子火箭的RD-253液氧煤油发动机虽然相当老旧但使用分级燃烧循环设计真空最大推力仍然达到1830千牛真空比冲316秒。在氢氧发动机方面美国的德尔塔4火箭使用本国普惠公司生产的RD-68大推力氢氧发动机这也是世界上推力最大的氢氧发动机真空最大推力3445千牛真空比冲409秒；欧空局的Ariane 5火箭使用法国斯奈克玛公司的Vulcain 2氢氧发动机真空最大推力1340千牛真

15、空比冲431秒；H-IIA/IIB使用本国的LE-7A氢氧发动机最大推力1098千牛真空比冲442秒。相对来看YF-100液氧煤油发动机真空最大推力为1340千牛真空比冲约330秒；YF-77液氧液氧发动机真空最大推力约为70千牛真空比冲428秒。在主要的地面启动液氧煤油发动机中YF-100性能仅仅超过了老式的RS-27、RD-107和SaceX廉价的Merlin等发动机YF-77液 氢液氧发动机更是在主流氢氧发动机中推力和比冲双垫底。这些事实提醒我们的航天液体发动机还需要加大投入追赶世界先进水平。推力和比冲是衡量一种火箭发动机的两项最重要数据图表中是中国为长征5号火箭开发的YF-100氢氧发动机和YF-77煤油-液氧发动机与国外几种著名大推力火箭发