专家披露中国空天飞机首飞时间 采用一级背二级

可垂直降落回收重复使用的长征八号运载火箭正在研制，预计2021年飞行试验。可水平降落回收重复使用的有翼火箭也在研制，预计2020年飞行试验。

中国重型运载火箭长征九号已完成设计并正在进行关键技术攻关。火箭总长度93米，起飞质量4000多吨，起飞推力接近6000吨，近地轨道载荷140吨。用于载人登月、登陆火星、空间太阳能电站等。芯级火箭直径10米，四个助推火箭直径5米，并联用单机分别是200多吨推力氢氧发动机和500吨推力高压补燃液氧煤油发动机。

数十吨推力的液氧甲烷发动机作为预研型号也已研制出来。

中国运载火箭及其发动机的成就有目共睹，中国成为了世界航天大国。但是，中国与世界航天强国美、俄的差距明显，尤其是与美国的差距更大。简而言之，美国在四十九年前就完成载人登月，中国至少还得十年经过努力才能实现这一目标。中国亟待攻克运载火箭及其发动机核心技术，努力赶超世界先进水平，争取尽早从航天大国转换成航天强国。

2.运载火箭的核心技术

2.1重型运载火箭技术

研制出重型运载火箭是世界航天強国的标志。近地轨道载荷多于100吨是世界各国公认的重型运载火箭标准。美国宇航局NASA的土星-5运载火箭和SLS Block2运载火箭，美国民营SpaceX公司的大猎鹰火箭(BFR)和星际运输系统(ITS)，前苏联的能源号重型运载火箭都符合该标准。尤其是星际运输系统(ITS)的近地轨道载荷设计值高达300吨(客)或380吨(货)，如研制出来将可以载人登上和殖民火星。

即将正式立项和研制的中国长征九号运载火箭也是一种重型运载火箭。如研制成功投入使用，将是中国从航天大国转换成航天强国的标志。

中国新一代运载火箭型谱

重型运载火箭技术主要是直径10米左右的大箭体和大贮箱技术。还有共底贮箱技术、三贮箱技术、有翼运载火箭技术、垂直降落减震支架技术、在轨加注燃料技术等。

重型运载火箭要用总推力在3000吨以上的发动机。要有远程控制运载火箭按预定轨道和姿态飞行及降落回收的技术。要有遥测系统的地面站和遥测船的技术。要有电气系统的集成一体化等技术。在材料和工艺方面的核心技术更多，比如铝锂合金应用技术、碳纤维替代金属技术、蠕变成形技术、大直径旋压底技术等。

正在探索研究的金属氢等高能技术如能实现，可用作未来的火箭燃料，将会使运载火箭的性能产生飞跃提高。核反应堆小型化技术如能取得实际突破，将出现核动力运载火箭。这些技术都会引起航天变革，影响极大。

2.2运载火箭多次重复使用技术

美国民营SpaceX公司的猎鹰9号火箭和猎鹰重型火箭(FHR)开启了运载火箭回收重复使用的先例。运载火箭回收重复使用是降低火箭发射成本的主要手段。运载火箭重复使用次数越多，经济效益越好。重复使用200至1000次已在考虑之中，将会使运载火箭发射成本降低到1%水平或更低。这样才能大幅度降低卫星发射价格，才能使月球和火星的开发在经济上承担得起，才能使太空旅游普及到富裕民众。

运载火箭垂直发射垂直降落回收是当前的热门。除猎鹰火箭外，美国蓝色起源Blue Origin公司于2018年4月30日成功发射的新谢泼德火箭也实现垂直降落回收。但是，运载火箭垂直降落回收的技术难度很大，不容易成功。猎鹰9号火箭的回收经历了多次失败。猎鹰重型火箭在成功回收两侧火箭的同时仍有中心火箭回收失败。我国在研制和试验长征八号运载火箭时，对此要有充分的思想准备。要努力创新进行改进，并及时申请相关专利。

运载火箭垂直发射水平降落技术难度较小，回收可靠性高，着陆平稳和回收次数增多。美国宇航局NASA研制的航天飞机、X-37B空天飞机和将于2020年发射的XS-1试验太空飞机都是采用这种回收方式。中、俄、日等国也都在积极研究这种回收方式。计划于2020年首飞的中国空天飞机采用一级背着二级的设计，能实现一、二级有翼运载火箭的全部回收。

中国未来的空天飞机假想图

源于英国云霄塔火箭的水平起飞水平降落运载火箭及其吸气与火箭组合式发动机(复合预冷发动机)，是最先进的空天飞行器及其发动机，计划重复使用200次。英、美、中、日等国都在积极研究这种单级入轨或双级入轨和全部回收的有翼火箭及其发动机。由于技术难度很大，各国分别研究了几年或几十年，都没有达到实用试验阶段。中国的单级入轨火箭计划于2030年试飞。

由于运载火箭多次重复使用技术面广和难度较大，需消耗回收用推进剂或设置机翼，可靠性随着重复使用次数的增加而降低，美国SLS Block2运载火箭和中国长征九号运载火箭仍然选择一次性使用。这样可以像土星-5运载火箭那样规格不太大、技术相对简单和继承性好，能可靠载人登月登火星。

2.3芯级火箭和一、二级分置火箭技术

用液氧液氢发动机推进的芯级火箭是一、二级合而为一的火箭及其发动机，比冲性能最高。缺点是液氢密度大约只有水的十四分之一，致使芯级火箭直径会大到10米左右，贮箱和箭体大和重且较难制造。芯级火箭发动机通常是助推火箭发动机工作时间的三倍左右，使得这种发动机难以达到高可靠性数值和有多的重复使用次数。美国SLS Block2运载火箭和中国长征九号运载火箭都是一次性使用，因而都选用大型芯级火箭，是合理的。

美国猎鹰9号火箭和猎鹰重型火箭都是用梅林-1D液氧煤油发动机的一、二级分置火箭。大猎鹰火箭和星际运输系统ITS都是用猛禽Raptor发动机的一、二级分置火箭。这种用单一发动机的一、二级分置火箭技术简单适用，继承性好，也是合理的。

肯定了这两种火箭的合理性，大液氢贮箱核心技术的攻克就必须安排或无需安排。其它核心技术的攻克也会有??同的侧重面。

2.4液体火箭和固体火箭技术

迄今为止，世界各国的运载火箭几乎都是液体火箭。但是，随着大直径固体火箭发动机的发展，固体火箭可用作一次性使用运载火箭的主要部分乃至全部。美国早就研制成功1000吨推力的固体火箭发动机，且并联两个用于发射航天飞机。SLS Block2运载火箭的主设计方案，是用两个1542吨推力的巨型固体火箭发动机作为助推火箭。近日报道，欧盟的560吨推力固体火箭发动机热试车成功，也准备用于运载火箭。由于固体火箭发动机结构简单、制造成本要低些和使用方便，所以发展固体火箭也是一种趋势。

鉴于美国挑战者号航天飞机因固体火箭发动机故障造成发射失败和七名乘员阵亡，务必要注意和保证固体火箭的可靠性。考虑到液体火箭发动机通过髙工况和数倍于额定工作时间的长程热试车，可以加权可靠性数值，用较少次数热试车取得高可靠性，大大缩短研制周期和降低研制成本。还考虑到运载火箭及其发动机多次重复使用是发展方向。所以认为运载火箭还是要以液体火箭为主和固体火箭为辅。

液体火箭和固体火箭有各自的一些不同核心技术，都要认真对待和努力攻克。

3.液体火箭发动机的核心技术

3.1提高可靠性是根本性和综合性核心技术

液体火箭发动机是运载火箭的心脏，在高温高压和振动大的恶劣条件下工作，再加上多机并联使用和面对多次重复使用的要求，非常需要提高可靠性。

多机并联和多次重复使用发动机的可靠性可用以下简单公式进行估算：

A=B^cd

式中：A为并联发动机可靠性B为单个发动机可靠性

c为单机并联数d为重复使用第几次工作

^为指数符号

目前国内外液体火箭发动机的可靠性水平B=0.999。对于我国以往最多的单机并联数C=10和一次性使用D=1，由该式算出并联发动机可靠性A=0.990。对于27机并联的美国猎鹰重型火箭，首飞的A=0.973，重复使用第二次工作的A=0.947，重复使用第五次工作的A=0.874。这样的可靠性对于载人飞行是不够的。最近暂时取消猎鹰重型火箭的载人绕月飞行任务是有道理的。

如果单机可靠性提高到B=0.9999，常规的最多单机并联数C=12，重复使用第5~10次，并联发动机可靠性A=0.994~0.988。对于27机并联的美国猎鹰重型火箭，重复使用第3~5次，并联发动机可靠性A=0.992~0.987，有较大提高。

如果单机可靠性提高到B=0.99999，常规的最多单机并联数C=12，重复使用第50~100次，并联发动机可靠性A=0.994~0.988。对于42机并联的美国ITS Booster大火箭。重复使用20~30次，并联发动机可靠性A=0.992~0.987。

这些数据表明，单个发动机可靠性从0.999提高到0.9999至0.99999是必要的。提高可靠性是多机并联和多次重复使用的基础，是根本性核心技术。

单个发动机可靠性提高到0.9999至0.99999的办法是简化结构，减少零件数，降低技术难度；选用冷却性能好的再生冷却剂，加大内冷却剂流量；降低燃烧室温度和气体发生器温度；提高减振抗振水平；选用抗疲劳的新材料；考虑到有自动检测故障的冗余设计；从难从严热试车；严格质量管理。所以说，提高可靠性是综合性核心技术。

单个发动机可靠性提高到0.9999至0.99999甚至更高，这可不是简单的事，要下苦功夫。要真正把质量和可靠性放在第一位置。如果为此需要降低比冲性能，也在所不惜。

中国金奖发动机推进神箭升空

相关报道: