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长征九号运载火箭

长征九号运载火箭,是中华人民共和国一款正在论证的新一代重型火箭,其推力为3000吨,近地轨道运载能力至少100吨,地月转移轨道运载能力至少50吨,与美国土星5号运载火箭运力相近,将可能被用于中国的载人登月任务。长征九号在中国航天科技集团公司2012年发布的《2011年度社会责任报告》中被首次提到,并可能于2014年获得中国国家立项。长征九号可能于中国海南文昌卫星发射中心发射。2014年12月确定,长征九号运载火箭将于2030年左右实现首飞。

火箭名称长征九号运载火箭研制国家中华人民共和国
起飞推力约3000吨LEO运载能力约100吨
LTO运载能力约50吨发射场海南文昌航天发射中心
首飞时间预计2030年

火箭简介

长征九号火箭还处于研制早期的可行性论证阶段,航天部门不仅要向政治领导人阐述它在登月项目中的必要性和使用上的扩展能力,更要说服他们长征九号火箭是一个经济上可承受的项目。我国重型运载火箭数年来方案的变迁,可以说是从不切实际的诱人梦想,到脚踏实地的扎实设计的过程。

火箭参数

高度:约100米

芯级直径:9米

助推器直径:3.35米

LEO运载能力:100吨

动力系统

2008年的《航天推进专业发展》报告中,已经提到了为满足近地轨道100吨级运载能力和载人登月等大型航天活动,需要“动力先行”研制5000千牛级液氧/羟系统发动机方案和1500千牛级液氧液氢发动机方案,并开展3600千牛和5000千牛大推力分段式固体助推器的关键技术研究,这些预研发动机的性能指标比尚在研制中的YF-100和YF-77发动机有了巨大的飞跃。同期《火箭推进》、《航空动力学报》和《宇航学报》等学术期刊上的论文,还不约而同的出现单室高压补燃液氧煤油大推力发动机方案,大推力氢氧发动机的论证中甚至出现全流量分级燃烧循环的设计。无论是500吨级单室高压补燃液氧煤油发动机,还是150吨级全流量分级燃烧液氧液氢发动机都是液体火箭发动机的巅峰之作,但回首YF-100尤其是YF-77坎坷的研制过程,选择这样的高性能发动机设计要承担很大的风险。

可能是意识到开始的不切实际,随后的论证中大推力火箭发动机的指标逐步合理化。2011年的论文中大推力液氧煤油发动机已经改为3300千牛单室、6600千牛双室的设计,这样的设计虽然大幅度降低了解决燃烧不稳定现象的难度,但6600千牛发动机对大功率推进剂涡轮泵的要求反而更高了。其实它可以看作是一个“钓鱼”的折衷方案,如果6600千牛发动机没能上马研制,至少还有3300千牛发动机可以用于现有长征火箭的升级换代,必要时还可以以此研制中等运力的运载火箭,两次交会对接完成载人登月任务。氢氧发动机的设计也同步转向更具可行性的方案,提出了推力2000千牛的燃气发生器循环氢氧发动机方案,它将使用单台富氢燃气发生器并联驱动氢氧涡轮泵的设计,虽然性能平庸但技术难度较小,可以看作美国RS-68发动机的2/3缩比版。

在论证液体发动机的同时,我国航天动力研究院也提出了研制大推力固体助推器的设想,计划用10年时间分别研制出500吨和1000吨级推力的分段式固体火箭发动机。2009年初国内完成了2米直径固体发动机的试车,将推力提高到120吨,2010年初又完成了分段式固体发动机的热试车,验证了分段式发动机技术,同期国内还研制了2.25米直径的大型固体发动机。我国航天动力院计划用现有的2米120吨推力分段分别实现360吨和500吨推力。完成大型固体发动机技术演示后,进一步研制出3.5米直径5分段的千吨级固体火箭发动机。这样的路线图以分段式设计充分发挥了固体发动机技术的继承性,以较小的投资规模实现数百吨到千吨级的推力,相比技术成熟度低、攻关难度大的液体发动机在研制进度也有优势。

从运载火箭研究院梁小红书记的访谈和航天科技集团披露的信息看,长征九号重型火箭的设计考虑了充分利用现有试验设备和成熟技术,还考虑了使用新技术升级现有火箭等因素。根据梁小红书记提及8米直径芯级、3.35米直径助推器和3000吨起飞质量等信息,结合已有论文中重型运载火箭1.2—1.3之间的起飞推质比,可以判断长征九号火箭8米芯级和3.35米助推器分别使用4台和1台起飞推力450~500吨的液氧煤油发动机,火箭起飞推力约3600—4000吨。其上面级将使用200吨推力的液氧液氢发动机,火箭总体为2级半结构,以3.5%的近地轨道运载系数推算长征九号火箭的近地轨道运载能力将超过100吨。根据航天科技集团报告中“新一代运载火箭型谱”中长征九号火箭长度与高度的比例,长征九号火箭全长约88米,天津新一代大型运载火箭基地的93米高度全箭振动塔足以对其进行全箭振动试验,这将分摊长征五号火箭的研发投资,降低长征九号的研制费用。我国为研制YF-100液氧煤油发动机建设了最大可支持500吨级液体火箭发动机的试车台,可以直接支持下一代的450~500吨级液氧煤油发动机研制,节省了部分研发投资。

虽然大推力液氧煤油发动机对比早期方案进一步降低了指标,但其性能要高于俄罗斯RD-180先进大型液氧煤油发动机,属于大型发动机的顶尖水平。长征九号重型火箭在其他方面技术上也有很大的提高,为了降低结构质量,长征九号火箭的推进剂储箱将使用轻质高强度的铝锂合金,级间段和整流罩使用复合材料;火箭电气和控制系统将使用故障诊断系统,还以此为基础进一步实现火箭故障诊断和重构。火箭制导系统将使用捷联惯导加卫星导航加星光导航的先进复合制导方案,软件方面使用摄动加迭代的制导律,此外火箭还将具备基于天基天链系统的遥测控制能力。这些先进的火箭技术将显著提高长征九号重型运载火箭的性能,还将用于现有长征五号长征六号长征七号等运载火箭的升级。

长征九号火箭总体设计上也有很多圈点之处,如芯一级和助推器使用大推力液氧煤油发动机的设计,并继承现有长征火箭芯级推质比大于1可独立使用的风格。如果未来我国及时上马载人登月项目,百吨级运力的长征九号火箭自然有用武之地;如果载人登月项目中止,独立使用的芯级本身就是近地轨道运力约50吨级的重型运载火箭,用于近地轨道或是静止轨道的超大载荷发射任务,或是一箭多星发射大型通信卫星。这样的设计以不变应万变,可以在未来不同预算条件下尽可能的提高投资的费效比。

大推力液氧煤油发动机推力选择的合理化和助推器沿用3.35米直径箭体的设计,还为设计类似美国AtlasV火箭的新一代运载火箭提供了可能。以单发500吨级液氧煤油发动机模块为基础,捆绑使用多个大推力固体助推器调节运力,重型型号由3个或5米3.35米助推器模块组成,其设计远比现有的长征五号和长征七号简洁可靠,将构成地球低轨道运力覆盖10~50吨的大型运载火箭家族,可将我国大型运载火箭的技术和性能提高到一个新的水平。由于较小运力需要使用固体助推器调节运力,这个设计方案还可以弥补长征九号火箭弃用大推力固体助推器对我国固体发动机生产带来的不利影响。

如果将长征九号火箭的新技术用于长征五号和七号火箭升级,可以以单台大推力氢氧发动机取代现有的两台YF-77氢氧发动机,以大推力液氧煤油发动机取代数量过多的YF-100发动机,避免长征五号和七号火箭第一级发动机过多设计过于复杂的问题,提高火箭的固有可靠性。至于长征九号火箭推动的铝锂合金箭体、先进电气和制导控制系统等先进技术,也可提高长征五号等火箭的性能和技术水平。

从零星披露的信息看,我国长征九号重型火箭已经开展了基础性的技术预研。航天科技集团曾公开报道大型发动机全尺寸木模型的研制生产,而大直径箭体也在更早的的报道中屡有提及。长征九号重型火箭通过与长征五号火箭共用部分试验设备和助推器箭体节约了成本,新型发动机和其他技术也将与商业运载火箭平摊降低成本,较好的兼顾了大运力和经济性的冲突,避免了土星五号用途过于单一的弊端。可以预见长征九号火箭未来不仅将完成我国载人登月的壮举,它的衍生型号还将把我国运载火箭技术水平提高到一个新的高度。

2015年4月研制成功的新型运载火箭用9米级超大型铝合金整体环件

 图:2015年研制成功的新型运载火箭用9米级超大型铝合金整体环件,可见长征九号火箭之大

预计首飞时间

长征九号运载火箭目前处于初期可行性论证阶段中,预计于2030年首飞。

长征九号运载火箭
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最新更新:2016-01-10 13:49
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