中國的“大力神”火箭快出來了

宋娜

在２００６年珠海航展上，航天科技集團為我們帶來了一個不小的驚喜－＂長征
＂－５號大型運載火箭公開展出了！該型火箭顯而易見意義非常重大－它不僅是我國數十年航天運載技術的集大成者，更是未來５－２０年間我國發射大型衛星、空間站等近地航天器的首選運輸工具，甚至還可以作為未來深空探測和太陽係行星登陸的發射載具！同時＂長征＂－５號大型運載火箭的研製成功也必將帶動我國航天發射基地布局的大變革，從而將對未來中國航天事業的發展帶來深遠影響。

◆新運載平台：瞄準最新技術前沿

經過近四十年的努力，我國運載火箭技術取得了舉世矚目的進展。但＂長征＂係列火箭也有明顯不足，特別是與國外火箭近幾年的發展相比，差距日趨加大。這主要體現在：型號偏多，型譜重疊，可靠性有待提高－在世界１０種主要運載火箭中，＂長征＂係列火箭的發射成功率列第７位，處在中間偏下位置，發射準備周期長－＂長征＂火箭發射準備周期幾乎是國外火箭的兩倍；缺少大運載能力火箭，整體適應能力不強。

為此，中國航天科技集團在其２０００年公布的遠景規劃中，對新一代大型運載火箭提出了具體的發展指導思想與原則。概括地講，新一代運載火箭的基本技術發展途徑可以歸納為：一個重點、兩種動力係統、三個模塊，即以發展５米箭體直徑的大型運載火箭基本型為重點，采用５０噸級推力氫氧發動機和１２０噸級推力液氧／煤油發動機兩種新型動力運輸係統，以５米、３．３５米和２．２５米三種直徑火箭為三個基本模塊，通過模塊化的不同組合，形成不同數量的新一代運載火箭係列，滿足各種發射任務的需求。
與現有火箭相比，新一代大型火箭的技術改進主要有以下三點：

◎關鍵技術之一：大推力環保發動機技術

現在無毒、無汙染的大型火箭已經成為二十一世紀運載火箭發展的主流。國外早在二十世紀八十年代已經開始著手研製大推力且環保的液氧／煤油或液氫／液氧發動機，至今已取得豐碩的成果，有的甚至已用於大型運載火箭。
采用新型燃料的火箭發動機具有明顯的優點。首先，煤油作為常溫推進劑，使用極為方便、安全性好，而甲烷、丙烷、液氫是低溫推進劑，不好貯存，運輸、加注和操作都不方便，泄漏後易起火爆炸。其次，煤油價格便宜，每千克煤油的價格隻有偏二甲肼的１／３０，可以較大幅度地降低發動機的研製成本和運載火箭的發射費用。發射一顆２０噸重的低軌道衛星，如用四氧化二氮／偏二甲肼組成的二級半方案，推進劑費需３０００萬元，而用全液氧／煤油方案隻需１００萬元。第三，液氧／煤油組合密度比衝高，是理想的助推級發動機燃料。第四，我國煤油資源豐富、貯量極大，可滿足長遠的需要。最後，使用液氧／煤油發動機可完全消除四氧化二氮／偏二甲胼有毒且汙染環境的嚴重不足。

而我國目前擁有的＂長征＂係列火箭多采用以偏二甲肼／四氧化二氮為推進劑的中等推力液體發動機作為火箭的主級發動機。眾所周知，偏二甲肼毒性較大，損害人體的肝髒。尤其是四氧化二氮／偏二甲肼的燃燒產物，對人體損害更大，並嚴重汙染環境。

雖然我國目前已經在研製新型火箭發動機方麵取得了一定進展，但因為研製時間起步較晚，因此在無毒、無汙染、大推力發動機研製方麵仍處於落後位置。如果我國要縮小與國外的差距，並在二十一世紀繼續保持在國際航天領域的一席之地，必須加快大推力無毒發動機的研究。

◎關鍵技術之二：提高可靠性

運載火箭的高可靠性是獲得商業發射市場優勢最重要的因素之一。但目前我國＂長征＂係列火箭的發射成功率與目前國外使用的火箭相比仍有差距。提高我國現有火箭的可靠性、研製新型高可靠性運載火箭將是保持和擴大我國運載火箭在國際商業發射市場份額的重要課題。據悉，在可靠性方麵，＂長征＂－５號將采用成熟的＂長征＂－３液氫液氧發動機技術。此外，為了進一步提高可靠性，＂長征＂－５號火箭的芯級與助推器還將采用獨立結構的貯箱，而不再采用共底結構，上麵級的液氫箱采用與芯一級液氫箱相同的結構形式。助推器與芯級的捆綁連接采用成熟的靜定連接方式。為降低分離過程中的衝擊、提高可靠性，火箭的分離係統將采用線性分離裝置。這些新措施，將大幅度提高＂長征＂－５號運載火箭的係統可靠性。

◎關鍵技術之三：模塊化設計

我國現有用於發射任務的＂長征＂火箭多達十幾種型號，已經形成了不同運載能力的＂長征＂火箭係列。但與國外相比，我國在火箭係列化發展上仍有不足。國外當前運載火箭的發展，總體結構力求簡化－減少火箭級數和發動機數量，結構設計趨於通用化、模塊化和係列化－主要通過采用不同的上麵級、捆綁不同數量的固體或液體助推器並使用不同的整流罩，來滿足不同重量有效載荷的發射需要，增加了選擇性和發射的靈活性。如＂阿裏亞娜＂－５計劃采用不同的上麵級和改進主級，可達到發射從５．９－１１噸有效載荷的能力，並能夠實現高軌和低軌的多星發射，美國＂德爾塔＂－４和日本Ｈ一２Ａ則計劃通過捆綁液體或固體助推器形成運載能力從４－１０噸級的多個品種。

令人欣喜的是，＂長征＂－５火箭研製中也貫徹了模塊化的思想，通過將５米、３．３５米和２．２５米直徑的幾種艙段進行不同組合，可以衍生發展出１４種型號各異的火箭家族。

◆大運載能力：昭示航天大發展

隨著航天技術的迅猛發展和社會生活中對衛星服務的與日俱增，今後大型衛星的尺寸和重量會進一步加大。目前類似＂哈勃＂天文望遠鏡（直徑４．３米，重１１．６噸）、＂聯盟ＴＭＡ＂飛船（重７．１噸）、＂鎖眼＂偵察衛星（重１５噸）等大型航天器已經屢見不鮮，更何況還有國際空間站之類重達２００餘噸、規劃重量４００餘噸的＂龐然大物＂。與此同時，小型衛星的發射任務也摒棄了以往昂貴的＂一箭單星＂模式，而采用一枚火箭發射十幾顆衛星的＂一箭多星＂模式，如俄羅斯＂第聶伯＂火箭就曾在２００６年７月２７日試圖將１８顆小衛星送入軌道高５３３千米的太陽同步軌道。大型衛星和小衛星多星發射需求以及激烈的市場競爭，決定了大運載能力火箭將成為航天發射任務的主力軍。國內航天器發展也不可避免地要遵循上麵的普遍規律。１９７０年我國第一顆人造衛星＂東方紅一號＂重１７３千克，１９８４年第一顆地球靜止軌道通信衛星＂東方紅二號＂重４３３千克，１９８８年發射的＂東方紅二號甲＂衛星總重量為１０４０千克，而２００５年發射的＂神舟六號＂飛船重約８噸！從這一係列數字的對比中，可以清晰地看出國產航天器的重量在迅速攀升。

在目前我國研製生產的運載火箭中，＂長征＂－３、＂長征＂－３Ａ、＂長征＂－２Ｅ運載火箭的地球同步轉移軌道運載能力分別為１５００千克、２５００千克和３２００千克，運載能力相當於＂阿裏亞娜＂－４火箭係列，其中＂長征＂－３Ｂ火箭的地球同步轉移軌道運載能力與＂阿裏亞娜＂－４４Ｌ、＂質子＂Ｋ相當。對比上麵提到的未來航天器的重量指標，可以發現＂長征＂係列目前的運載能力難以滿足迅猛發展的中國航天事業的需求。
在可以預見的將來，隨著我國經濟、軍事和科技的進步，對航天器的功能和壽命還會有進一步的需求。那麽，未來我國究竟會研製多大的衛星或航天器呢？其實這從＂長征＂－５係列火箭的運載能力上即可看出端倪。目前，需要較大運載能力的大型航天器主要包括地球同步衛星、大型遙感衛星、深空探測衛星和有人照料的長期在軌空間站。以＂長征＂－５係列火箭２５噸的低軌道運載能力計算，我們可以將類似＂鎖眼＂約２０噸重的地球資源遙感衛星運送到太陽同步軌道，確保其能夠始終在白天飛經目標上空，以利於其裝備的大口徑照相偵察器材獲得最佳拍攝效果；也可以將重量達到或接近２０噸的低軌道太空站一次性發射入軌，建立我們自己的太空基地，在世界空間技術競爭中牢牢站穩腳跟；甚至還可以經過幾次發射，建立自己的類似＂國際空間站＂這樣的組合式大型載人空間研究中心。以＂長征＂－５係列火箭１４噸的地球同步軌道運載能力，我們可以向月球發射大約５噸重的有效載荷，足以滿足未來繞月甚至無人登月等探月工程的需要。

同時還應考慮到爭奪商業發射市場的需求。為了爭奪航天發射市場，主要航天國家均發展研製了大型、重型火箭或提高現有火箭的運載能力，以實現衛星的一箭多星發射或重型衛星的發射。近兩年已經有＂阿裏亞娜＂－５、＂德爾塔＂－３、＂質子＂Ｍ投入使用，未來的７年內將有＂德爾塔＂－４、＂宇宙神＂５、＂安加拉＂、改進型＂阿裏亞娜＂－５等新型火箭進入發射市場。特別值得重視的是這些新型火箭的發展計劃均以低發射價格和高可靠性為研製重點，發射費用可能會比目前價格降低２５－５０％，從而具有強大的市場競爭力。在這種形勢下，中國也隻有通過研製發展具備大運載能力的＂長征＂－５號運載火箭，方能與之進行勢均力敵的競爭。

◆新航天基地：未來的中國＂卡納維拉爾角＂

隨著＂長征＂－５號係列大型運載火箭方案的公開，我國未來的大型航天發射基地建設計劃也逐漸浮出水麵。筆者認為，新發射基地的選址主要應考慮如下幾點：

首先，由於目前我國鐵路隧道直徑的限製，超過３．５米直徑的火箭箭體和發動機就不能使用鐵路運輸了。而目前我國主要的三大發射基地酒泉、西昌和太原衛星發射中心都深處內陸，周圍崇山峻嶺阻隔，必須依賴鐵路運輸。因此，５米直徑的新型火箭將無法在這些地點發射。

其次，當火箭助推器和一級箭體工作完畢後被拋掉時，這些殘骸一般將墜落在發射點以東１０００千米以內。環顧三大發射中心，除酒泉外，其餘都存在殘骸落人人口密集區域的可能，不利於安全。

最後，三大發射中心的緯度都比較高，最低的西昌發射場在北緯２８．２度，目前主要用於廣播、通信和氣象地球同步軌道衛星的發射任務。對於軌道傾角接近０度的地球同步軌道發射任務而言，西昌的緯度還是有點高。由於運載火箭發射時大致在一個包括發射點在內的發射平麵裏運動，所以衛星軌道平麵和發射平麵??不考慮相當費能量的橫向機動，發射點緯度值就是從該發射場可能發射的最小軌道傾角值。因此理論上講，發射場因盡量靠近赤道。那麽，中國的這個＂最接近赤道＂的發射場應該選在哪裏呢？

日前，海南省省長衛留成透露，文昌衛星發射基地項目已完成論證評審。文昌這個小小縣城突然成為了海內外媒體關注的焦點。文昌位於海南島東北部，大致在東經１１度、北緯１９度位置，地處熱帶北緣，氣候溫和。在成為航天發射中心之前，這裏僅有一道叫做＂文昌雞＂的菜肴比較有名。但以航天發射中心的標準來重新衡量這個地方，她的價值就凸現出來。首先，文昌位於濱海地區，其最大港口清瀾港是海南省五大樞紐港之一，可泊５０００噸級船隻，稍加改建就可以容納運送大型火箭的滾裝船。其次，其東向１０００千米之內幾乎都是南海，隻有幾個零星島嶼，極大地提高了殘骸墜落的安全性。最後，由於文昌的低緯度，其火箭發射的運載效率高。與西昌發射場相比，在海南發射地球同步衛星，衛星的定點質量可以提高５．１％一７．４％，衛星在軌壽命可延長２．７～３．９年。與酒泉發射場相比，衛星定點質量可提高１６．３％一１８．５％，衛星在軌壽命可延長８，７－９．８年。如此眾多的誘人之處，難怪會吸引眾多專家學者的目光。在工程院院士龍樂豪的《中國運載火箭技術的成就與展望》一文中就反複強調了建立文昌發射場的緊迫性和必要性。去年＂神六＂發射時，載人航天工程運載火箭係統總設計師劉竹生說，為配套發射我國未來新一代運載火箭，我國應該在海南設立新發射場。中國運載火箭技術研究院新一代運載火箭負責人李東也表示，像海南文昌這樣的地方就特別適合建設新發射場。一旦項目立項後，文昌將陸續得到高達數百億的投資，建立占地４０平方千米的發射基地，其中包括２個發射工位，和一個預留的發射工位。未來將有許多大型航天器從這裏出發，踏上探索太空的偉大征程……


總之，從＂長征＂－５號大推力新型運載火箭上，我們不僅看到航天技術數十年來發展的累累碩果，更可以憑借其展望充滿希望的未來！