专家披露中国空天飞机首飞时间 采用一级背二级

亟待攻克的运载火箭及其发动机核心技术

葛明龙 葛佳

前言

我国重型运载火箭长征九号即将立项的消息一经传出，关心我国航天事业发展的航天迷们充满期待。但美国太空探索技术公司SpaceX建造的猎鹰重型火箭成功首飞后，大家又把赞赏的目光投向这家新兴的民营航天企业。中美两国的运载火箭发展格局究竟怎样？运载火箭及其发动机的核心技术是什么？我国该如何走一条自己的运载火箭发展之路？笔者以航天技术人员的视角，试图找到答案，以飨读者。

作为第一代航天人的第一作者，先行研究提出了无毒双组元推进剂系列火箭推力室、三组元推进剂推力室、切换燃料推力室、空天发动机等发明。第二作者是正参与研制新一代运载火箭的新一辈航天人。我们发表自己的看法主要是为了能"提高关键核心技术创新能力"，利于攻克运载火箭及其发动机核心技术。

1. 中美两国的运载火箭发展格局

1.1 美国宇航局的载人登月用土星-5运载火箭

早在1969年，美国宇航局NASA研制的土星-5运载火箭把阿波罗11号飞船送往月球轨道，实现载人登月。

直径10米和长度42米的一级火箭用五台单机推力680吨的F-1液氧煤油发动机推进。直径10米和长度25米的二级火箭用五台单机推力89吨的J-2液氧液氢发动机推进。直径6.6米和长度18.8米的三级火箭用一台J-2液氧液氢主发动机推进。火箭总长度110.6米，起飞质量3038.5吨，月球轨道载荷45吨，近地轨道载荷118吨。F-1的燃烧室压力为较低的6MPa，J-2的室压也较低，都采用简单的气体发生器循环系统。用可靠的隔板抑制??稳定燃烧，技术难度较小。F-1的海平面比冲263秒，J-2的真空比冲421秒。

从肯尼迪总统1960年决策，到1969年实现首次载人登月，仅仅用了9年时间。这种令人难以置信的高速度反映出美国航天的高效率和高水平。阿波罗飞船载人飞行11次。共将24名宇航员送往绕月飞行轨道并安全返回，其中登月共12人。这种让人信服的成就体现了美国航天的高可靠性。整个载人登月工程仅耗费了当时的257亿美元，说明美国航天注重经济性。

1.2 美国宇航局的载人登火星用SLS Block2运载火箭

NASA设计的太空发射系统(Space Launch System，简称SLS)Block2运载火箭是用单机推力1542吨的两个巨型固体火箭发动机助推(也在考虑改用液体火箭发动机推进)。芯级火箭则用四个单机推力226.8吨的RS-25高压补燃液氧液氢发动机推进，真空比冲452秒。这两种发动机是发射航天飞机用发动机的改型，技术继承性好。二级用一台133吨推力的J-2X液氧液氢主发动机，真空比冲448秒。芯级火箭直径8.4米，运载火箭总长度122米，起飞质量2951吨，近地轨道载荷130吨。该火箭计划于2024年首飞，进行不载人登火星飞行若干年，然后再进行载人登火星飞行。

1.3 美国民营SpaceX公司的猎鹰重型火箭(FHR)和大猎鹰火箭(BFR)

猎鹰重型火箭(Falcon Heavy Rocket简称FHR)是一款由SpaceX建造的可重复使用运载火箭，于2018年2月7日成功发射。这种具有载人绕月飞行能力的火箭，一级是由三个猎鹰9号火箭一级并联而成。打破常规共并联27个单机推力86吨(两侧火箭)和81.3吨(中心火箭)的梅林-1D液氧煤油发动机。二级火箭也用真空推力93.2 吨的梅林-1D发动机。该发动机釆用较高室压9.7MPa的气体发生器循环系统，海平面比冲282秒，真空比冲311秒。具有与一级火箭垂直降落回收和二级提高推进性能相适应的40%~100%节流变推力能力。两侧火箭先行熄火、分离和垂直降落回收。间隔30秒后中心火箭熄火，与二级分离和垂直降落回收。重复使用次数开始只有一次，现正在努力争取不少于10次。该火箭的直径3.66 米，总长度70米，总宽度12.2米，起飞质量1421吨，起飞推力2280吨，近地轨道载荷63.8吨。

在FHR基础上又设计了大猎鹰火箭(BFR)，可完全重复使用，起飞质量4400吨，近地轨道载荷150吨。是由火箭部分和运输仓组成。火箭直径9米，由31台猛禽Raptor发动机推进。结构质量85吨和外部有可重复使用隔热罩的运输仓，用6台猛禽Raptor发动机推进。运输仓有效体积825立方米，大于A380客机的体积。除行李舱、厨房和太阳能风暴辐射防护所外，客舱内可搭载80~200名参加太空游的旅客。BFR还要求在轨道上能进行加注燃料。