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最高、最大、最强的“长征五号”,能否托举中国航天的未来

2016年11月03日 22:30 来源于 财新网
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专访龙乐豪院士,期待长征五号的“处女秀”能“一箭惊鸣”
►长征五号。来源:央视新闻张伟

  撰文 | 张巧玲(《知识分子》特约撰稿人)

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  即将在海南文昌发射场迎来“首秀”的长征五号是个大个子——

  它最长身高62米,相当于20层楼的高度。

  它最大芯级直径达到5.2米,重达870吨。

  它运载能力强大,近地轨道运载能力达25吨,是大部分现役运载火箭的2.5倍。

  历时10年磨砺,作为在研运载能力最大、一直备受瞩目的新一代大型运载火箭,长征五号被人们寄予厚望。

  中国工程院院士、中国运载火箭技术研究院运载火箭系列总设计师龙乐豪日前在接受访谈时表示,“如果长征五号发射成功,中国运载火箭的技术水平又将重新回到世界主流的一次性运载火箭的第一梯队前列,如其结果达到设计指标,它将成为目前世界上在役的运载能力最大的火箭。”

  ►龙乐豪。来源:中国运载火箭技术研究院新闻中心

  “醒得最早,但起得太晚”

  龙乐豪多次在公开场合不无遗憾地称,中国新一代运载火箭的研制是“醒得最早,但起得太晚”。

  中国航天运载火箭的发展起步于上世纪50年代,经过几十年的艰苦努力和探索,长征火箭形成了包括长征一号、长征二号、长征三号等在内的15个型号的火箭家族,丰富的火箭类型满足了几十年来中国近地轨道、太阳同步轨道和地球同步轨道的多种卫星及载人飞船和月球探测任务的发射需求。

  然而,现有的长征系列火箭暴露出了运载能力低、芯级直径小、型号偏多、型谱重叠、可靠性不高、发射准备周期长以及使用推进剂有毒等缺点,已无法满足未来的航天事业的发展需求,尤其是未来载人飞船以及深空探测发射任务对火箭能力都提出了极高的要求。例如,中国现有的长征火箭近地轨道(LEO)的运载能力是8.5吨,而地球同步转移轨道(GTO)运载能力则只有5.5吨。

  1986年,中国启动863计划,开始了大型运载火箭的论证工作。这一工作得到了大批院士专家的支持,但遗憾的是,有关研制和生产新一代大型运载火箭的倡议从提出到方案实施经历了20年,直到2006年才正式被批准立项。 

  2007年,中国新一代大型运载火箭正式启动生产后,被命名为“长征五号”系列。此后长征五号的方案又经过了一些更改,将其中衍生的小型、中型火箭分别独立形成“长征六号”与“长征七号”火箭系列。其中,长征六号已于2015年9月首飞成功,长征七号火箭于今年6月实现首飞,而长征八号也已获批立项,重型火箭也进入了关键技术攻关阶段。

  长征五号火箭仍是目前中国研制的体积最大、运载能力最强的火箭。火箭最长身高62米,相当于20层楼的高度,最大芯级直径达到5.2米,捆绑4个3.35米助推器,起飞推力1078吨;采用了全新的箭体结构、动力系统、电气系统和发射支持系统,运载能力大大增强,具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力。与此同时,长征五号还能实现一箭多星的发射,一次发射更多更重、功能更全的卫星,从而使发射费用大大降低。

  ►发射前运输、组装的过程。来源:央视新闻

  期待“一箭惊鸣”

  上世纪90年代中期,中国的运载火箭技术水平和运载能力已站到了世界第一梯队的前列。但遗憾的是,此后十多年中国的长征运载火箭在世界的地位不进反退。

  从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,如美国推出德尔塔-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,俄罗斯研制了安加拉(Angara)火箭系列。中国的新一代运载火箭工作却迟迟未能推动。

  国外大型火箭要素表

  ►图片来源:龙乐豪(2003),《航空制造技术》

  从这个表格不难看出,各国推出的新一代运载火箭的特点:一是火箭构型简单,大多采用一级半到两级半的构型;二是芯级直径大,从3.81米到5.8米;三是使用无毒推进剂,多为液氢或液氧推进剂,或以煤油发动机为主动力;四是运载能力大大增强,其LEO运载能力达到20吨级,GTO的运载能力达到10吨级。

  除此之外,新一代运载火箭都采用模块化、系列化的组合方式,进而形成运载能力覆盖范围较广的运载火箭系列。

  面对新时期的国际竞争态势,中国也针对新一代运载火箭的研制工作提出了新的要求。2001年国务院发表的“中国的航天”白皮书,就明确提出中国近期运载火箭的发展目标,其中一个就是“开发新一代无毒、无污染、高性能和低成本的运载火箭,简称新一代运载火箭型谱化系列,增强参与国际商业服务的能力”。

  此次首飞的长征五号正是按照这个要求开展研制的。中国新一代运载火箭都是遵循“一个重点、两种动力系统、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。以发展5米箭体直径的大型火箭基本型为重点,采用50吨级推力氢氧发动机和120吨级推力液氧煤油发动机两种新型动力运输系统,以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为3个基本模块,三种模块按照不同的方式组合起来,就形成了长征五号、长征六号、长征七号和长征八号四种新一代运载火箭系列,从而能满足各种发射任务的需求。其中,长征五号火箭的运载能力最大。

  中国长征五号火箭的性能已与世界主流运载火箭的能力相当,龙乐豪表示,期待长征五号的“处女秀”能“一箭惊鸣”。

  ►长征五号。来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心

  ►长征五号。来源:央视新闻张伟

  能否托举中国航天的未来

  世界各国研制新型运载火箭主要基于两个目的:一是满足日益增大的运载能力的需求,用于发射军用和民用(政府、商用)有效载荷;二是通过降低成本和提高可靠性来赢得市场。

  中国研制新一代运载火箭的原因同样基于两个方面:一方面,通过全面提升中国运载火箭的整体水平和能力,满足未来20~30年航天发展的需求,另一方面,也是为了保持中国运载火箭技术在世界航天领域的地位,同时为中国带来更多的商业市场。

  此次“长征五号”的首飞,将实现中国液体运载火箭直径从3.35米至5米的跨越,使中国进入空间能力提升2.5倍以上。与此同时,“长征五号”以其无毒无污染、成本低、可靠性高、适应性强的优势,将成为现役长征火箭的升级换代产品。

  今年上半年,“长征五号”首飞还未进行就广受青睐。中国航天科技集团中国运载火箭技术研究院原党委书记梁小虹在今年的全国两会上接受记者采访时介绍,长征五号已经接到十个重量级订单,主要是发射嫦娥五号、空间站核心舱以及火星探测等中国国家重大专项工程任务。未来,它还将用于发射东方红五号通信卫星等的发射任务。

  不过,如果要想满足未来载人登月等更高要求的任务需求,还需要研制重型运载火箭,而目前正研制的CZ-5运载火箭系列都无法达到这一要求。

  龙乐豪透露,中国的重型运载火箭长征九号也已被纳入“十三五”科技创新规划中,目前正处于关键技术的攻关阶段。长征九号的低轨道运载能力是140吨,地月转移轨道(LTO)的运载能力大约为50吨。因此,针对空间运输多样性的目标需求,中国需要合理规划新一代运载火箭的型谱,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,进而满足中国未来卫星发射、载人航天、探月工程、火星探测、以及载人登月等各种任务的运载需求。

  ►长征五号。来源 : 中国运载火箭技术研究院新闻中心孙浩

  ►长征五号。来源:央视新闻张伟

  张巧玲为原中国科学报记者,现在中科院国家天文台工作。

  特别感谢龙乐豪院士对本文提供专业意见。

  参考文献:

  1、 龙乐豪.中国运载火箭技术的成绩与展望.导弹与航天运载技术,2001年第1期总第249期

  2、 龙乐豪.新一代运载火箭.中国科学,2003年第2期

  3、 赵颖.国外新型火箭研制计划与发展现状.国际太空,2002(10)

  4、 王小军 范瑞祥等.开启中国载人航天新篇章.国际太空,2016(6)

  5、 李东、程堂明.中国新一代运载火箭发展展望.中国工程科学,2006年11月第8卷第11期

  6、 彭训文.中国10年铸“冰箭”:长征五号圆大火箭之梦.人民日报,2015年4月4日

  7、 张巧玲.龙乐豪:我国一次性运载火箭孕育新飞跃.科学时报,2009年6月2日

责任编辑:崔筝 | 版面编辑:张柘
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