孕育新一代运载火箭 20年完成更新换代

王超

我孕育新一代运载火箭 20年完成更新换代

来源：《科技日报》
　　“我国新一代运载火箭正处于型号的初样研制阶段。这是一枚全新的火箭，一旦研制成功投入使用，将对我国提高运载能力有极大的帮助和跃升，我国有望再次跃居世界运载火箭先进水平的行列。”中国工程院院士、运载火箭系列总设计师、国家月球探测工程副总设计师、中国运载火箭技术研究院研究员向《科学时报》作上述表示。

　　2009年3月，由龙乐豪等主笔的《我国一次性运载火箭的发展展望》一文发表在《中国科学》2009年第39卷上。龙乐豪在文中透露，我国将以满足基本应用需求为核心，合理规划新一代运载火箭型谱。

　　醒得早 起得晚

　　研制一个新火箭一般需6年左右，但我国2006年批准立项的新一代运载火箭“长征五号”由于起点较高，加上我国工业基础比较薄弱，建新型火箭需要配套建设一批基础设施，因此，他估计至少到2015年我国新一代运载火箭才可能研制出来，并实现试飞。

　　在龙乐豪看来，我国新一代运载火箭的发展“醒得最早，但起得晚”。早在1986年，我国就提出了要设计、生产新一代运载火箭，但直到2006年中央专委才正式将新一代运载火箭批准立项，2007年科工委正式批准启动生产。目前，该运转火箭已命名为CZ-5。

　　相比之下，欧美等国在新一代运载火箭的发展方面则是“醒得晚，起得快”。20世纪90年代开始，各航天大国在不断改进现有火箭的同时大力研制新一代运载火箭。

　　“新一代运载火箭的发展完全突破第一代运载火箭在导弹武器基础上发展所带来的限制。”龙乐豪介绍，目前，美国已推出了德尔塔-4（Delta-4）和宇宙神-5（Atlas-5）两个新型运载火箭系列，欧洲研制了阿里安-5（Ariane-5）运载火箭并持续提高其运载能力，日本推出了H-2A火箭系列，俄罗斯正在研制安加拉（Angara）火箭系列。

　　纵观各国的运载火箭发展计划，运载火箭的发展趋势呈现如下特点。

　　一是新一代运载火箭以氢氧发动机或液氧煤油发动机作为主动力，采用模块化的组合方式形成运载能力覆盖范围较广的运载火箭系列，且各航天大国运载火箭的更新换代已经或即将完成。国外新型运载火箭从设计开始就兼顾民用与军用，以可靠性、安全性、经济性等作为主要的设计原则。国外新型运载火箭的芯级均采用大氢氧发动机或液氧/煤油发动机，及大直径、少级数等方案，运载能力成倍提高。其近地轨道（LEO）运载能力已超过20吨，地球同步转移轨道（GTO）运载能力达10吨级。

　　二是为增强运载火箭的任务适应性，各国积极发展上面级技术。上面级是在基础级火箭上面增加的相对独立的一级（或多级），具有较强的任务适应性，其工作段通常已进入地球轨道，是提高火箭性能和提高任务适应能力的有效途径之一。像美国德尔塔-4和宇宙神-5两个系列、欧洲的阿里安-5系列以及俄罗斯正在研制的安加拉系列运载火箭都是通过选用不同的上面级，形成拥有各种运载能力、能执行多种任务的运载火箭系列。同时，随着在轨服务需求的不断增加，基于上面级技术的轨道转移运输飞行器也应运而生，如美国的太阳能轨道转移运输飞行器（SOTV）、欧洲的自动转移运输飞行器（ATV）、日本的H-2A自动转移运输飞行器（HTV）等。

　　三是在由主流运载火箭完成主要进入空间任务的同时，积极发展针对特殊应用的运载火箭。像美国为重返月球计划正在研制新型运载火箭战神1和战神5，战神1为载人运载火箭，战神5为载货的重型运载火箭，采用人货分运、近地轨道对接的方式实现载人登月的目标。为满足快速进入空间的目标，美国研制了空射运载火箭“飞马座”，正在研制快速机动发射小型军用火箭猎鹰（Falcon），欧洲正在研制小型运载火箭织女星（Vega）。

　　

王超

“家族式”系列面临发展瓶颈

　　我国航天运载技术的发展起步于上世纪50年代，先后成功研制了长征一号、长征二号、长征三号、长征四号等15个型号的运载火箭，实现了从常温推进剂到低温推进剂、从串联到捆绑、从一箭单星到一箭多星、从发射卫星到发射载人飞船的跨越式发展，组成了相对完备的运载火箭型谱，近地轨道（LEO）运载能力达到8500kg，太阳同步轨道（SSO）运载能力达到6100kg，地球同步转移轨道（GTO）运载能力达到5500kg，基本能够满足不同用户的需求。

　　但与此同时，我国长征运载火箭仍属于“家族式”系列，每个运载型号的发展都源于特定的需求，型号技术状态差别较大，也还存在运载能力重叠的现象，还不是真正意义上的“系列化”运载火箭；尽管通过大量的可靠性增长工作不断提高飞行成功率，长征运载火箭的设计可靠性仍然偏低；在役的长征火箭运载能力相对于国外的新型运载火箭有较大的差距，对于大型和重型有效载荷的发射要求已难以通过进一步挖潜来满足，一定程度上抑制了有效载荷的进一步发展；同时，长征火箭在满足小卫星发射方面还存在空白；另外，上面级能力的不足限制了运载火箭的适应性提高，不能满足多星发射及空间运输的需求，构成了未来技术发展的瓶颈。

　　龙乐豪认为，我国运载火箭的技术水平已开始与先进国家拉开差距，国际竞争能力在渐渐弱化，在新的时期面临多方面的机遇与挑战。

　　首先是运载火箭技术亟须提高。龙乐豪说，当今世界各航天大国都在积极研制高可靠、低成本、大直径、少级数、使用无毒无污染推进剂的新型运载火箭，都在分阶段、有步骤地开展原有运载火箭的更新换代。这些新型运载火箭的近地轨道运载能力一般超过20吨，地球同步转移轨道运载能力可达到10吨以上，通过系列规划、模块组合可以适应不同轨道发射任务的要求。目前以美国的宇宙神-5、德尔塔-4，欧空局的阿里安-5，日本的H2-A等为代表的各种新型运载火箭都已投入使用，原有火箭正逐渐退役，这些国家（地区）已经或者即将全面完成一次性运载火箭的更新换代。

　　其次是应用需求日益旺盛。根据我国卫星型号与专业技术发展规划，未来的卫星发展将以大型卫星和小卫星星座为主，地球同步轨道卫星和非地球同步轨道卫星的发射需求潜力都很大。初步统计表明，未来15年左右，我国军用与民用卫星发射数量将超过200颗。目前以上卫星已有部分选定现有运载火箭进行发射，但还有相当一部分与新一代运载火箭的研制计划相衔接。

　　此外，二代导航二期工程、高分辨率对地观测系统重大专项、载人航天工程、月球探测工程以及未来可能的载人登月任务及其他深空探测任务等都对运载火箭的发展提出了迫切的需求。

　　

王超

合理规划新一代运载火箭型谱

　　龙乐豪的办公室里摆放着各式各样的运载火箭模型，长征一号、长征二号……我国新一代运载火箭的雏形也在其列。

　　龙乐豪透露，我国正在研制的新一代运载火箭是遵循“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体思路，贯彻“通用化、组合化、系列化”的设计思想，通过模块化组合方式，可以形成包括5米直径大型运载火箭、3.35米直径中型运载火箭和小型运载火箭在内的火箭系列，其近地轨道运载能力最大达到25吨、地球同步转移轨道运载能力最大达到14吨。

　　“新一代运载火箭将大幅提升我国进入空间的能力，除了满足卫星发射的需求，还能满足未来月球探测工程发射较大规模的月球返回探测器、载人航天工程的20吨级空间站等大型有效载荷的需求。”

　　不过，这些构型中有些构型的能力有重复，需在综合考虑能力需求以及对未来任务的适应性、成本、可靠性等因素的基础上，合理地进行归并与浓缩，形成能很好满足未来基本需求并且构型较少的运载火箭型谱，力争在20年内完成一次性运载火箭的更新换代。

　　“为满足后续载人登月任务的需求，要求运载系统奔月轨道和环月轨道的运载能力分别为50吨和30吨，研制的CZ-5运载火箭系列都无法完成载人登月任务。”龙乐豪说。

　　龙乐豪透露，在利用CZ-5火箭的发动机和箭体直径等技术条件的基础上，发展起飞重量约15000吨级的超大型运载火箭，采用轨道交会对接的方式，是我国在2025年前后实现载人登月的现实可行的方案。根据登月规模的需求，后续也可考虑发展起飞重量3000吨级的重型运载火箭完成建立月球基地等大规模的载人登月任务，并进一步提高我国进入空间的能力。

　　为满足军事现代化对快速响应空间的要求，除液体小运载外，还可发展车载发射固体小运载、空中发射小型运载火箭，按照液体小运载依靠简易设施周发射、固体小运载天发射和空射小运载小时计发射的指标，逐步实现快速进入空间的目标。

　　因此，在一次性运载火箭领域，超大型和重型运载火箭作为未来载人登月和大规模深空探测的基础，空中发射小型运载火箭和车载发射固体小型运载火箭作为快速进入空间的重要途径，都是未来一次性运载火箭型谱的重要补充。

　　“我们将以满足基本应用需求为核心，合理规划新一代运载火箭型谱。”龙乐豪建议，我国可以制上面级为切入点、提升运载火箭的任务适应能力，使我国未来形成包括小型、中型、大型、超大型以及重型运载火箭在内的一次性运载火箭型谱，不仅可以满足我国未来卫星发射、载人航天、探月工程的基本要求，而且可以为大卫星、大平台等大型有效载荷的发展提供有力的保障，还可以为快速进入空间及载人登月等特殊需求提供基础支撑。