中國載人航天工程六

1、中國載人航天工程六 中國載人航天工程目前采用的是長征2F運(yùn)載火箭這是中國以原有的長征2E火箭為基礎(chǔ)為載人航天任務(wù)專門研制的運(yùn)載火箭。長征2F火箭著重提高安全性長征2E火箭又稱長征二號捆綁火箭是20世紀(jì)80年代末為發(fā)射商業(yè)通信衛(wèi)星而研制的捆綁式火箭它的研制使中國運(yùn)載火箭200千米高度近地軌道(LEO)發(fā)射能力從長征二號的2.4噸增加到約8.8噸。不過長征2E火箭的可靠性并不算高總計(jì)7次發(fā)射中就有2次失敗這個(gè)可靠性完全無法滿足載人航天的需求。長征2F火箭總的設(shè)計(jì)原則是確保運(yùn)載火箭的可靠性和航天員的安全盡可能實(shí)現(xiàn)一度故障工作、二度故障安全的設(shè)計(jì)思想。為了達(dá)到載人運(yùn)載火箭的可靠性和安全性在設(shè)計(jì)中首先注

2、重實(shí)用成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)工藝如沿用長征2E火箭原有的四個(gè)助推器、芯一級、芯二級等成熟部件力圖通過過去幾十年積累的設(shè)計(jì)、工藝和制造經(jīng)驗(yàn)保證可靠性；其次廣泛采用冗余和裕度設(shè)計(jì)技術(shù)對可靠性影響較大的部件實(shí)行冗余設(shè)計(jì)對不能進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)的進(jìn)行裕度設(shè)計(jì)盡可能降低運(yùn)載火箭整體復(fù)雜程度和器件質(zhì)量水平對可靠性的影響；此外針對火工品誤炸的問題全面使用鈍感火工品降低誤炸可能；最后增加了逃逸塔和故障檢測處理系統(tǒng)。通過這些可靠性和安全性的改進(jìn)長征二號F火箭成為中國目前可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)最高的火箭保證了中國載人航天發(fā)射的安全可靠將可靠性提高到0.97安全性指標(biāo)為0.997。長征2F運(yùn)載火箭性能簡介長征2F運(yùn)載火箭沿用了長征

3、2E的兩級半構(gòu)型由4個(gè)助推器、芯一級、芯二級、飛船整流罩、逃逸塔組成火箭全長58.3米起飛總質(zhì)量479.8噸是中國已有運(yùn)載火箭中最高最重的設(shè)計(jì)。長征二號F火箭可將超過7.8噸的載荷送入軌道傾角42.4度、軌道高度200X350千米的軌道200千米圓軌道的運(yùn)載能力約8.6噸。作為中國載人航天的唯一運(yùn)載工具長征2F火箭自1999年以來神舟一號到神舟七號歷次發(fā)射均圓滿成功。天宮一號由長征2F/G火箭發(fā)射隨著中國載人航天工程進(jìn)行第二階段長征2F原有的運(yùn)載能力已難以滿足更重航天器的發(fā)射需求。今年9月天宮一號空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射將采用經(jīng)過改進(jìn)的長征2F/G運(yùn)載火箭(G表示改進(jìn))。長征2F/G火箭在長征2F基礎(chǔ)上

4、作了少許改進(jìn)主要是助推器略微加長改用雙激光慣組主從冗余運(yùn)載能力略有提高。天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室的發(fā)射重量在8.5至9噸之間長征2F/G已夠用所以預(yù)料天宮二號、天宮三號仍由長征2F/G火箭發(fā)射。長征2F/H改用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)但天宮三號發(fā)射后需要與貨運(yùn)飛船對接進(jìn)行貨運(yùn)補(bǔ)給試驗(yàn)。以天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的 貨運(yùn)飛船上行貨運(yùn)能力達(dá)到約6噸飛船總重量約13噸明顯超出現(xiàn)有長征2F/G火箭約9噸的運(yùn)載能力。因此中國計(jì)劃研制新一代的長征2F/H運(yùn)載火箭（H表示換）來發(fā)射貨運(yùn)飛船。長征2F/H比起長征2F有大幅改進(jìn)主要是將原來的偏二甲肼-四氧化二氮發(fā)動(dòng)機(jī)改為與長征5號配套的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)電氣系統(tǒng)和

5、地面測發(fā)控系統(tǒng)使用一體化設(shè)計(jì)。YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力比以往的發(fā)動(dòng)機(jī)大使得長征2F/H火箭的運(yùn)載能力提高到13噸滿足發(fā)射貨運(yùn)飛船的需求。另外推進(jìn)劑改為液氧煤油取代劇毒的偏二甲肼-四氧化二氮對環(huán)境保護(hù)也大有好處。長征3B運(yùn)載火箭性能簡介盡管長征2F是國內(nèi)發(fā)射重量最大的運(yùn)載火箭但從理論上說中國LEO（近地軌道）運(yùn)載能力最大的火箭是長征3B火箭。長征3B運(yùn)載火箭靈活使用了模塊化、系列化和通用化的設(shè)計(jì)思想以長征3A火箭進(jìn)行適應(yīng)性修改作為芯級借鑒長征2E火箭捆綁助推器的經(jīng)驗(yàn)增加了四個(gè)液體助推器從而獲得了更大的運(yùn)載能力。長征3B火箭全長54.84米起飛質(zhì)量425噸芯一級和芯二級直徑3.35米、助推器

6、直徑2.25米三子級直徑3米整流罩最大直徑4米。長征三號B運(yùn)載火箭的GTO(同步轉(zhuǎn)移軌道)運(yùn)載能力約5.1噸近年來增強(qiáng)版本長征三號BE進(jìn)一步增加到5.5噸理論上的LEO（近地軌道）運(yùn)載能力分別為11.2噸和12噸。在長征5號等新一代運(yùn)載火箭服役前長征三號B火箭仍將是中國發(fā)射大型通信衛(wèi)星的主力也是唯一可將3.5噸的嫦娥三號和四號軟著陸落月探測器發(fā)射進(jìn)月球軌道的火箭。長征3B運(yùn)載能力仍然偏小2010年末長城公司發(fā)布的用戶手冊顯示中國還有將長征3B火箭的GTO運(yùn)載能力進(jìn)一步增加到6噸的方案這個(gè)運(yùn)載能力將達(dá)到歐洲空間局Ariane 5G火箭的水平不過這基本是長征3B火箭設(shè)計(jì)的極限。1997年首次發(fā)射成

7、功長征3B火箭是中國競爭商業(yè)航天市場的主力也是國內(nèi)唯一具備向GTO發(fā)射大型載荷的運(yùn)載火箭。但對比其他航天強(qiáng)國的運(yùn)載火箭其運(yùn)載能力并不算突出當(dāng)時(shí)僅僅比的H-II火箭略強(qiáng)。多年后的今天增強(qiáng)型的長征3BE雖然GTO運(yùn)力增加到了5.5噸但GTO運(yùn)力8噸的H-IIB火箭已經(jīng)投入使用。在當(dāng)今世界主要航天國家中中國大推力火箭的運(yùn)載能力是尷尬的倒數(shù)第二僅領(lǐng)先于印度但就發(fā)射規(guī)模來說印度并不算一個(gè)真正的航天強(qiáng)國。說起大推力運(yùn)載火箭人們很容易想起登月的土星5火箭和蘇聯(lián)的能源火箭不過這些LEO運(yùn)載能力百噸級的巨型運(yùn)載火箭任務(wù)單一早已退役多年。當(dāng)前世界上主流的大型運(yùn)載火箭的LEO運(yùn)載能力為20噸左右、GTO運(yùn)載能力在8

8、12噸級遠(yuǎn)高于中國運(yùn)力最大的長征3B火箭。 美國作為航天頭號強(qiáng)國美國一次性大型運(yùn)載火箭現(xiàn)在基本由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟壟斷聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟擁有LEO運(yùn)載能力約19.8噸、GTO約9噸的宇宙神5(Atlas V) 551大型運(yùn)載火箭還有LEO運(yùn)載能力約22.5噸、GTO約13噸、GEO（地球同步靜止軌道）發(fā)射能力約6.3噸的德爾塔4(Delta IV) Heavy重型運(yùn)載火箭。德爾塔4火箭還是世界上唯一的全氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)運(yùn)載系數(shù)位列世界第一。俄羅斯俄羅斯則繼承了蘇聯(lián)時(shí)代留下的質(zhì)子(roton)火箭并有所發(fā)展質(zhì)子火箭的LEO運(yùn)載能力達(dá)到了21噸、GTO運(yùn)載能力約6噸。類似Delta 4火箭它也有直接將衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)

9、GEO（地球同步靜止軌道）的能力GEO運(yùn)載能力約3.5噸。歐洲相比美蘇兩強(qiáng)早在20世紀(jì)60年代就研制了百噸級和20噸級大型運(yùn)載火箭其他國家的大型運(yùn)載火箭發(fā)展較晚。1996年歐洲空間局的Ariane 5 G火箭首次試射它的LEO運(yùn)載能力達(dá)到了16噸、GTO運(yùn)載能力約6噸。到了今天Ariane 5 ES的LEO運(yùn)載能力達(dá)到了21噸、Ariane 5 ECA的GTO運(yùn)載能力達(dá)到了10.5噸。1994年首次發(fā)射了新一代的H-II火箭連續(xù)失敗后又發(fā)展了新的H-IIA火箭并于2001年首次發(fā)射。H-IIA火箭設(shè)計(jì)中曾包括GTO7.5噸和9.5噸的H-IIA 212和222構(gòu)型但這些使用液體助推器的型號已經(jīng)

10、取消。即使如此已有的H-IIA 204型火箭仍然實(shí)現(xiàn)了約15噸的LEO運(yùn)載能力和6噸的GTO運(yùn)載能力。最新的H-IIB火箭則進(jìn)一步躋身大型運(yùn)載火箭之列具有19噸LEO、16.5噸國際空間站軌道和8噸GTO運(yùn)載能力。長征五號計(jì)劃于2014年首次發(fā)射對比國外主流大型運(yùn)載火箭中國現(xiàn)有運(yùn)載火箭的能力大有不足。如果說此前缺乏大質(zhì)量載荷的發(fā)射任務(wù)屬于有效需求不足沒有發(fā)展的話那么隨著空間站20噸級大型艙段、質(zhì)量6.57噸的東方紅五號大型通信衛(wèi)星以及探月計(jì)劃三期的大型取樣返回月球探測器的研制中國運(yùn)載火箭的運(yùn)力已經(jīng)成為瓶頸。所以中國在多年前就開始規(guī)劃設(shè)計(jì)新一代大型運(yùn)載火箭這就是長征五號運(yùn)載火箭及其衍生型號。長征

11、五號運(yùn)載火箭在2006年正式立項(xiàng)計(jì)劃2014年左右在海南文昌首次發(fā)射使用長征五號技術(shù)的3.35米直徑的長征七號中型運(yùn)載火箭和3.35米直徑的長征六號小型運(yùn)載火箭也先后開始研制。運(yùn)載能力達(dá)到世界先進(jìn)水平長征五號運(yùn)載火箭作為中國運(yùn)載火箭更新?lián)Q代、追趕國際先進(jìn)水平的關(guān)鍵一步在主要性能指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到或超過國際主流大型運(yùn)載火箭的水平。長征五號運(yùn)載火箭基于120噸級推力的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和50噸級推力的YF-77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制設(shè)計(jì)中貫徹模塊化、通用化和系列化的設(shè)計(jì)思想以5米直徑芯級為核心分別捆綁不同數(shù)量的3.35米和2.25米直徑的助推器。LEO 發(fā)射使用一級半構(gòu)型即一個(gè)芯級、捆綁助推器GT

12、O增加了基于YF-75D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的上面級構(gòu)成了AF六個(gè)型號的長征五號火箭覆蓋了LEO1025噸、GTO614噸的運(yùn)力范圍。其中與未來空間站建設(shè)緊密相關(guān)的是長征5A、長征5B和長征5C長征5B的LEO運(yùn)載能力為25噸可用于發(fā)射未來空間站的核心艙和實(shí)驗(yàn)艙；長征5A的LEO運(yùn)載能力為18噸可用于發(fā)射貨運(yùn)飛船；長征5C的LEO運(yùn)載能力為10噸可用于發(fā)射神舟載人飛船。長征五號火箭單純從運(yùn)載能力上說LEO和GTO的最大運(yùn)力都達(dá)到或超過了現(xiàn)有主流大型運(yùn)載火箭但國外也有運(yùn)力更大的火箭在研制中這點(diǎn)將來時(shí)的優(yōu)勢并不值得沾沾自喜更重要的是長征五號的發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上與世界先進(jìn)水平仍然有較大差距。新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能落后

13、長征五號運(yùn)載火箭基于120噸級推力的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和50噸級推力的YF-77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩款新型發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和比沖都較小尚未實(shí)用、性能已經(jīng)落后導(dǎo)致長征5號各構(gòu)型需要使用的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量都比較多。如系列中運(yùn)載能力最強(qiáng)的長征5E共有8臺YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺YF-77和2臺YF-75D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；而運(yùn)載能力相當(dāng)?shù)拿绹匦偷聽査?只有4臺氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量過多會增加火箭制造成本、也會對火箭發(fā)射的可靠系數(shù)帶來影響。考察液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要有2個(gè)指標(biāo)一個(gè)是最大推力另外一個(gè)是比沖。在相同的發(fā)射重量下火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖越高火箭的運(yùn)載能力就越強(qiáng)；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力越大所需的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量就

14、越少。多國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)橫向比較國外目前均采用推力較大、比沖較高的高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)以上文提到的各國大型運(yùn)載火箭為例美國宇宙神5火箭使用引進(jìn)的俄羅斯RD-180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)真空最大推力4320千牛真空比沖337.8秒；俄羅斯質(zhì)子火箭的RD-253液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)雖然相當(dāng)老舊但使用分級燃燒循環(huán)設(shè)計(jì)真空最大推力仍然達(dá)到1830千牛真空比沖316秒。在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)方面美國的德爾塔4火箭使用本國普惠公司生產(chǎn)的RD-68大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)這也是世界上推力最大的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空最大推力3445千牛真空比沖409秒；歐空局的Ariane 5火箭使用法國斯奈克瑪公司的Vulcain 2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空最大推力1340千牛真

15、空比沖431秒；H-IIA/IIB使用本國的LE-7A氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力1098千牛真空比沖442秒。相對來看YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)真空最大推力為1340千牛真空比沖約330秒；YF-77液氧液氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空最大推力約為70千牛真空比沖428秒。在主要的地面啟動(dòng)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)中YF-100性能僅僅超過了老式的RS-27、RD-107和SaceX廉價(jià)的Merlin等發(fā)動(dòng)機(jī)YF-77液 氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)更是在主流氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中推力和比沖雙墊底。這些事實(shí)提醒我們的航天液體發(fā)動(dòng)機(jī)還需要加大投入追趕世界先進(jìn)水平。推力和比沖是衡量一種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的兩項(xiàng)最重要數(shù)據(jù)圖表中是中國為長征5號火箭開發(fā)的YF-100氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和YF-77煤油-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)與國外幾種著名大推力火箭發(fā)