蔡益飛

（上海航天技術(shù)研究院，上海 201109）

0 引言

21世紀(jì)上半葉，近地載人航天活動(dòng)正向月球以及深空邁進(jìn)，月球已成為人類走向深空第一站。我國(guó)已啟動(dòng)載人航天、月球探測(cè)兩大工程，載人登月將融合兩大工程的成果，成為我國(guó)深空探索的里程碑之一。本文以發(fā)動(dòng)機(jī)為核心梳理國(guó)外運(yùn)載發(fā)展脈絡(luò)，提出我國(guó)運(yùn)載發(fā)動(dòng)機(jī)選型建議；以載人登月工程運(yùn)載能力需求為背景，探討重型運(yùn)載火箭發(fā)展思路，從中優(yōu)選一型運(yùn)載火箭開展細(xì)化論證。

1 國(guó)外重型運(yùn)載火箭發(fā)展

國(guó)外航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展可總結(jié)為：一個(gè)起源、兩個(gè)體系、三個(gè)時(shí)期、五個(gè)轉(zhuǎn)折點(diǎn)。其中三個(gè)時(shí)期為20世紀(jì)60年代美蘇載人登月、80年代航天飛機(jī)和2004年以后重返月球、火星及深空探索，見(jiàn)表1。

表1 國(guó)外載人登月及重型運(yùn)載發(fā)展的三個(gè)時(shí)期Table 1 Three periods of the moon landing and heavy launch vehicle in abroad

1.1 重型運(yùn)載火箭總體方案特點(diǎn)

a）國(guó)外重型運(yùn)載火箭的主要目標(biāo)軌道是近地軌道／亞軌道，一級(jí)半／兩級(jí)／兩級(jí)半構(gòu)型為首選［1－3］。

60年代載人登月競(jìng)爭(zhēng)時(shí)期美國(guó)與前蘇聯(lián)發(fā)展了三級(jí)、五級(jí)構(gòu)型的重型運(yùn)載火箭，目標(biāo)軌道是月球轉(zhuǎn)移軌道（土星V運(yùn)載火箭）和低月球軌道（N1運(yùn)載火箭）；80年代重復(fù)使用航天器發(fā)展了兩型一級(jí)半構(gòu)型重型運(yùn)載，目標(biāo)軌道是110km的亞軌道；當(dāng)今美俄等國(guó)家規(guī)劃中的重型運(yùn)載為一級(jí)半／兩級(jí)半構(gòu)型，目標(biāo)軌道是亞軌道／近地軌道。一級(jí)半構(gòu)型主要基于氫氧芯級(jí)＋助推；兩級(jí)半構(gòu)型主要基于液氧煤油芯一級(jí)＋氫氧芯二級(jí)。

國(guó)外重型運(yùn)載火箭分類如圖1所示。典型重型運(yùn)載火箭性能參數(shù)見(jiàn)表2。

圖1 重型運(yùn)載火箭分類Fig.1 Classification of heavy launch vehcile

表2 國(guó)外典型重型運(yùn)載火箭性能Tab.2 Performances of typical heavy vehicle in abroad

b）合理定位運(yùn)載系數(shù)，優(yōu)選總體構(gòu)型與箭體直徑，利于重型運(yùn)載工程實(shí)施。

運(yùn)載火箭運(yùn)載能力、起飛質(zhì)量、芯級(jí)直徑三者密切相關(guān)，其中運(yùn)載系數(shù)為運(yùn)載能力與起飛質(zhì)量之比，芯級(jí)箭體直徑與起飛質(zhì)量、長(zhǎng)細(xì)比相關(guān)。20世紀(jì)60年代美國(guó)土星V運(yùn)載火箭運(yùn)載系數(shù)可達(dá)4.3%；80年代航天飛機(jī)運(yùn)載系數(shù)可達(dá)5%；21世紀(jì)戰(zhàn)神V運(yùn)載火箭運(yùn)載系數(shù)可達(dá)4.97%；獵鷹重型運(yùn)載火箭（全液氧煤油）運(yùn)載系數(shù)可達(dá)3.79%。目前氫氧芯級(jí)直徑為7.75m→8.38m→10.41m，液氧煤油芯級(jí)直徑為3.66m→5.4m→8.4m→10.06m→17m，其中10.06，17m為20世紀(jì)60年代單芯級(jí)運(yùn)載火箭選取直徑。

1.2 液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)

俄羅斯為載人登月及重型運(yùn)載火箭發(fā)展了NK－33，RD－170，RD－0120三型一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖2所示。其中RD－170發(fā)動(dòng)機(jī)的衍生型運(yùn)載火箭獲得了廣泛使用，如RD－170／171發(fā)動(dòng)機(jī)先后用于天頂號(hào)和能源號(hào)運(yùn)載火箭。在能源號(hào)發(fā)射兩次后，天頂號(hào)運(yùn)載火箭獨(dú)自成為RD－170發(fā)動(dòng)機(jī)工程應(yīng)用；RD－180發(fā)動(dòng)機(jī)為RD－170發(fā)動(dòng)機(jī)的衍生型，1993年由美國(guó)和俄羅斯聯(lián)合研制；在美國(guó)，宇宙神Ⅲ、宇宙神Ⅴ等主力運(yùn)載火箭獲得廣泛應(yīng)用。RD－191發(fā)動(dòng)機(jī)同樣為RD－170發(fā)動(dòng)機(jī)的衍生型，分別用于安加拉號(hào)、羅老號(hào)（韓國(guó)）運(yùn)載火箭，印度也在積極引進(jìn)，目前只有羅老號(hào)運(yùn)載火箭進(jìn)行過(guò)此型發(fā)動(dòng)機(jī)飛行試驗(yàn)。

俄羅斯重型運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噸位發(fā)展由150t（NK－33）→740t（RD－170）→390t（RD－180）和194t（RD－191），即由百噸級(jí)跨越發(fā)展到七百噸級(jí)，而后又回到400，200t級(jí)。

圖2 前蘇聯(lián)／俄羅斯液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展Fig.2 Development of liquid oxygen kerosene engine in former Soviet Union／Russia

美國(guó)在載人登月時(shí)期發(fā)展了H－1，F(xiàn)－1兩型液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，后續(xù)基于H－1發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展了MA，MB，RS－27系列液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，如圖3所示。因美國(guó)重點(diǎn)發(fā)展了液氫液氧和大固體發(fā)動(dòng)機(jī)，其液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能弱于俄羅斯，目前主要使用與俄羅斯聯(lián)合研制的RD－180發(fā)動(dòng)機(jī)、引進(jìn)的NK－33發(fā)動(dòng)機(jī)，以及基于登月艙下降級(jí)改進(jìn)的Merlin系列發(fā)動(dòng)機(jī)。

圖3 美國(guó)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展Fig.3 Development of liquid oxygen kerosene engine in USA

經(jīng)過(guò)三個(gè)時(shí)期發(fā)展，液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)工程使用頻率最高的推力噸位是400，200t，200t推力噸位可整合小型、中型、大型、超大型運(yùn)載火箭，400t推力噸位可整合中型、大型、超大型、重型、超重型運(yùn)載火箭，700t級(jí)噸位可支持大型、超大型、重型、超重型、巨型運(yùn)載火箭研發(fā)。

1.3 液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)

美國(guó)研制了F－1，J－2發(fā)動(dòng)機(jī)用于土星V運(yùn)載火箭，前者僅在土星V運(yùn)載火箭使用，后者的改進(jìn)型J－2X發(fā)動(dòng)機(jī)用于戰(zhàn)神I／V運(yùn)載火箭二級(jí)；四段式固體發(fā)動(dòng)機(jī)、RS－25D發(fā)動(dòng)機(jī)用于航天飛機(jī)；五段式半固體發(fā)動(dòng)機(jī)、RS－68發(fā)動(dòng)機(jī)用于戰(zhàn)神I／V運(yùn)載火箭的一級(jí)動(dòng)力，同時(shí)RS－68發(fā)動(dòng)機(jī)是德爾它4運(yùn)載火箭芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)。在星座計(jì)劃實(shí)施中基于J－2發(fā)動(dòng)機(jī)研制了J－2X發(fā)動(dòng)機(jī)，使發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能有了質(zhì)的提高。俄羅斯為重型運(yùn)載火箭專門研制了RD－0120發(fā)動(dòng)機(jī)，四機(jī)并聯(lián)作為能源號(hào)運(yùn)載火箭芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，但此種發(fā)動(dòng)機(jī)未能獲得廣泛使用；歐洲為阿里安V運(yùn)載火箭研制了百噸級(jí)推力火神氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，日本為H－2A／B運(yùn)載火箭研制了百噸級(jí)推力的LE－7系列發(fā)動(dòng)機(jī)。各國(guó)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展如圖4所示。

圖4 各國(guó)／地區(qū)液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)發(fā)展Fig.4 Development of liquid hydrogen liquid oxygen engine in the world

2 我國(guó)新一代運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)研制建議

我國(guó)新一代運(yùn)載火箭研制了120t推力的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和真空70t推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，統(tǒng)籌考慮重型與我國(guó)下一代運(yùn)載火箭發(fā)展，提出建議如下。

a）兩級(jí)半構(gòu)型是我國(guó)重型運(yùn)載首選

運(yùn)載火箭形成了兩種體系：一是以液氧煤油、常規(guī)推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的蘇式體系。二是以固體發(fā)動(dòng)機(jī)、氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)的美式體系。我國(guó)運(yùn)載繼承了蘇聯(lián)體系，未來(lái)重型運(yùn)載以液體發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力的繼承性較好。重型若選擇一級(jí)半構(gòu)型（類能源號(hào)），則需發(fā)展大推力液氧煤油和大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；若選擇兩級(jí)半構(gòu)型，則需發(fā)展大推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。

b）120，400t推力噸位可滿足我國(guó)未來(lái)運(yùn)載火箭一級(jí)動(dòng)力需求

我國(guó)已有120t推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，后續(xù)僅需研制推力400t發(fā)動(dòng)機(jī)即可滿足各種運(yùn)載能力火箭一級(jí)動(dòng)力需求。

c）100t級(jí)真空推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)重型運(yùn)載較佳選擇

作為二級(jí)動(dòng)力，70t推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的推力偏小，至少需用4機(jī)并聯(lián)，而真空推力150～300t氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)則偏大，且研制難度高，真空推力100t氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)作為二子級(jí)動(dòng)力或軌道轉(zhuǎn)移級(jí)動(dòng)力較佳，同時(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)研制與70t真空推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的繼承性好。

d）箭體直徑最大7～8m為宜

未來(lái)近地軌道運(yùn)載能力百噸級(jí)運(yùn)載火箭芯級(jí)若使用氫氧推進(jìn)劑，直徑選取8～10m為宜；芯級(jí)若使用液氧煤油推進(jìn)劑，直徑選取7～8m較佳。

3 我國(guó)載人登月運(yùn)載火箭

3.1 任務(wù)定位

未來(lái)我國(guó)的月球任務(wù)以無(wú)人月球探測(cè)和月球采樣返回、載人環(huán)月飛行、有限規(guī)模載人登月、大規(guī)模月球開發(fā)為主線。根據(jù)發(fā)射次數(shù)，載人登月可分為四次發(fā)射、三次發(fā)射和兩次發(fā)射，超大型／重型運(yùn)載貨運(yùn)運(yùn)載火箭運(yùn)載能力需求見(jiàn)表3［4］。

表3 不同載人登月發(fā)射模式運(yùn)載火箭能力需求Tab.3 Requirement for launch vehicle capacity of various manned moon－landing models

3.2 發(fā)展途徑

超大型／重型運(yùn)載火箭型譜可初步歸為四種構(gòu)型，載人登月運(yùn)載火箭論證中選取了三類構(gòu)型（固體助推＋液氧煤油芯級(jí)僅開展初步論證）?？紤]時(shí)間節(jié)點(diǎn)和技術(shù)難度，設(shè)想我國(guó)載人登月運(yùn)載火箭發(fā)展途徑如圖5所示，具體如下。

3.2.1 基于現(xiàn)有箭體直徑、在研發(fā)動(dòng)機(jī)

箭體直徑3.35m／5m，發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)半構(gòu)型（B2方案）。

3.2.2 基于6m箭體直徑、在研發(fā)動(dòng)機(jī)

箭體直徑3.35m／6m，發(fā)動(dòng)機(jī)兩級(jí)半構(gòu)型（C1方案）。

3.2.3 基于現(xiàn)有箭體直徑、新研發(fā)動(dòng)機(jī)

箭體直徑5m，發(fā)動(dòng)機(jī)為400t級(jí)推力液氧煤油等，一級(jí)半構(gòu)型（D3方案）。

3.2.4 基于7～9m大箭體直徑、新研發(fā)動(dòng)機(jī)

箭體直徑7m，發(fā)動(dòng)機(jī)為400t級(jí)推力液氧煤油等（F2方案）和箭體直徑9m，發(fā)動(dòng)機(jī)推力為200t液氫液氧、固體發(fā)動(dòng)機(jī)（H2方案）。

3.3 方案優(yōu)選

3.3.1 任務(wù)約束

a）登月模式：以三次發(fā)射載人登月為首選。

b）運(yùn)載能力：軌道高度270km，軌道傾角20°，運(yùn)載能力80～100t。

c）發(fā)動(dòng)機(jī)：芯一級(jí)和助推400t級(jí)推力液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，雙噴管＋雙燃燒室，泵后搖擺；芯二級(jí)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)70t／100t推力。

d）全箭長(zhǎng)徑比：11～13。

e）三匹配：載荷與整流罩有效空間匹配，助推與芯級(jí)匹配結(jié)構(gòu)匹配，助推／芯級(jí)工作時(shí)間與發(fā)動(dòng)機(jī)總體性能匹配。

3.3.2 構(gòu)型論證

以兩級(jí)／兩級(jí)半構(gòu)型為首選，以400t發(fā)動(dòng)機(jī)為一級(jí)動(dòng)力，以3.4%的運(yùn)載系數(shù)初步預(yù)估起飛推力和起飛質(zhì)量，四種構(gòu)型見(jiàn)表4。其中：構(gòu)型6＋2芯級(jí)燃燒300s超出液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)工程合理范圍，構(gòu)型6＋3不便于系列化，可優(yōu)選構(gòu)型4＋4、6＋4。

圖5 載人登月運(yùn)載火箭發(fā)展途徑Fig.5 Development way of manned moon－landing launch vehicle

表4 重型運(yùn)載火箭構(gòu)型Tab.4 Configuration of large launch vehicle

3.3.3 方案細(xì)化

兩級(jí)構(gòu)型，6個(gè)3.35m助推器與7.0m芯級(jí)組成一子級(jí)，助推與芯級(jí)同時(shí)分離，通過(guò)發(fā)動(dòng)機(jī)節(jié)流控制關(guān)機(jī)過(guò)載。起飛質(zhì)量3 102.6t，起飛推力4 067t，270×270km、20°軌道運(yùn)載能力90t；捆綁3.35m助推器6個(gè)，每個(gè)助推器400t級(jí)雙噴管1臺(tái)、泵后搖擺液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)；芯一級(jí)7.0m，400t級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)4臺(tái)；芯二級(jí)7.0m，氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)70t3臺(tái)／100t2臺(tái)。優(yōu)選方案外形如圖6所示。

圖6 優(yōu)選方案外形Fig.6 Shape of optimal scheme

該方案的總體外形簡(jiǎn)單，運(yùn)載火箭長(zhǎng)細(xì)比（12.48）合理，滿足設(shè)計(jì)要求，助推傳力點(diǎn)與芯級(jí)長(zhǎng)度、傳力點(diǎn)匹配。法向力與氣動(dòng)壓心變化規(guī)律不同于傳統(tǒng)運(yùn)載火箭，選定方案3.35m助推無(wú)尾翼，跨聲速氣動(dòng)壓心0.45～0.50運(yùn)載火箭飛行速度v與過(guò)載Nx如圖7所示。其中：運(yùn)載火箭飛行最大過(guò)載Nxmax＝4.88（飛行時(shí)間163.36s時(shí)）；最大動(dòng)壓Qmax＝31 709Pa（飛行時(shí)間＝74s時(shí)）。

圖7 運(yùn)載火箭飛行速度與過(guò)載Fig.7 Shape of optimal scheme

運(yùn)載火箭可在海南發(fā)射場(chǎng)發(fā)射，進(jìn)入270km、傾角20°近地圓軌道，助推和芯一級(jí)組合體殘骸落區(qū)在西太平洋，距離菲律賓最小距離370km，落區(qū)安全可控。10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)切向搖擺6°可實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭一級(jí)飛行穩(wěn)定控制，如圖8所示。其中：8臺(tái)參與俯仰控制，10臺(tái)參與偏航控制；搖擺空間足夠，不發(fā)生干涉。

圖8 運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺控制Fig.8 Swing control of launch vehicle engine

4 結(jié)束語(yǔ)

為加速我國(guó)航天運(yùn)輸系統(tǒng)深化發(fā)展，促進(jìn)載人航天與探月的成果融合，建議確定合理可行的工程目標(biāo)、優(yōu)選運(yùn)載火箭方案、牽引動(dòng)力發(fā)展。工程核心目標(biāo)是將中國(guó)航天員安全送到月球并返回地球，在實(shí)現(xiàn)核心工程目標(biāo)后，其直接經(jīng)濟(jì)利益牽引不足，需要適度控制工程規(guī)模，確保有限資源支持航天運(yùn)輸領(lǐng)域可持續(xù)發(fā)展。工程實(shí)施的核心是運(yùn)載火箭，直接關(guān)系大系統(tǒng)的研制進(jìn)度，需依據(jù)國(guó)情統(tǒng)籌考慮。工程對(duì)航天運(yùn)輸系統(tǒng)最大的牽引是發(fā)動(dòng)機(jī)，選擇合適推力、構(gòu)型發(fā)動(dòng)機(jī)將決定未來(lái)航天運(yùn)輸系統(tǒng)發(fā)展布局。

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