20世紀(jì)90年代大運(yùn)載總體方案論證的一些回顧

余夢(mèng)倫

(北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京100076)

0 引言

1986年中央提出高技術(shù)研究發(fā)展計(jì)劃，即863綱要，對(duì)航天技術(shù)發(fā)展提出明確的要求：研究發(fā)展性能先進(jìn)的大型運(yùn)載火箭，提高我國航天發(fā)射商業(yè)服務(wù)能力，為21世紀(jì)初建成長(zhǎng)期性空間站奠定技術(shù)基礎(chǔ)，并提出在90年代研制出性能先進(jìn)的低軌道運(yùn)載能力為20t的大型運(yùn)載火箭。

1993—1997年，863航天領(lǐng)域成立第二屆液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和大型運(yùn)載火箭專題組，開展大型運(yùn)載火箭和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的方案論證工作，專題組由中國運(yùn)載火箭技術(shù)研究院朱森元和余夢(mèng)倫、航天推進(jìn)技術(shù)研究院朱寧昌、上海航天技術(shù)研究院袁潔、北京航空航天大學(xué)張振鵬、國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)周進(jìn)等6位專家組成。經(jīng)過5年的研究論證，在有關(guān)方面大力支持下，完成了大型運(yùn)載火箭論證報(bào)告，提出大型運(yùn)載火箭總體方案構(gòu)型和火箭發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)要求。

根據(jù)發(fā)射20t級(jí)空間站的運(yùn)載能力要求，在不同發(fā)射場(chǎng)條件下，對(duì)大型運(yùn)載火箭的級(jí)數(shù)、直徑、推進(jìn)劑選擇和發(fā)動(dòng)機(jī)推力等進(jìn)行分析計(jì)算，得到大型運(yùn)載火箭基本總體參數(shù)，分析提出滿足發(fā)射20t空間站的大型運(yùn)載火箭方案傾向性意見，為專題組大型運(yùn)載火箭的方案論證提供了參考。本文對(duì)當(dāng)時(shí)的主要工作內(nèi)容和過程進(jìn)行了總結(jié)回顧(本文中有關(guān)技術(shù)要求均是當(dāng)時(shí)給定)。

1 大型運(yùn)載火箭的總體方案

1.1 20t空間站軌道要求

1)入軌質(zhì)量：20t；

2)空間站尺寸：直徑4.2m，長(zhǎng)度17.9m；

3)軌道參數(shù)：近地點(diǎn)高度 220km，遠(yuǎn)地點(diǎn)高度 430km，軌道傾角 60°。

1.2 大型運(yùn)載火箭方案的選擇

1.2.1 發(fā)動(dòng)機(jī)的選擇

大型運(yùn)載火箭的方案選擇涉及下列問題：

1)發(fā)動(dòng)機(jī)選擇；

2)火箭的級(jí)數(shù)和直徑選擇；

3)發(fā)射場(chǎng)選擇；

4)其他。

其中，發(fā)動(dòng)機(jī)性能參數(shù)的選擇是發(fā)展大型運(yùn)載火箭的關(guān)鍵，需要遵照的主要原則包括：

1)高可靠性；

2)推進(jìn)劑無毒；

3)高性能(高比沖，高密度)；

4)推力可調(diào)；

5)低成本；

6)滿足未來天地往返運(yùn)輸系統(tǒng)、單級(jí)入軌等發(fā)展；

7)維護(hù)使用方便。

符合上述要求可供大型運(yùn)載火箭選擇的發(fā)動(dòng)機(jī)主要是兩種：氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。

氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)具有無毒、高比沖的特點(diǎn)，是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中性能最好的，為世界各國的大運(yùn)載火箭所普遍采用。我國研制氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)有較好的基礎(chǔ)，當(dāng)時(shí)已研制成功YF-73和YF-75兩種氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，為研制大型氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)創(chuàng)造了有利的條件。

液氧煤油推進(jìn)劑具有無毒、密度高的優(yōu)點(diǎn)，雖然液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)在我國起步較晚，但我國在20世紀(jì)60年代已成功研制過液氧酒精發(fā)動(dòng)機(jī)，90年代又引進(jìn)了俄羅斯RD-120液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，這將推動(dòng)我國液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制工作。

除上述兩種發(fā)動(dòng)機(jī)外，四氧化二氮/偏二甲肼發(fā)動(dòng)機(jī)是我國運(yùn)載火箭使用最廣泛的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，這種發(fā)動(dòng)機(jī)比沖一般，推進(jìn)劑毒性較大。但它的技術(shù)成熟、性能可靠、可貯存，在大型運(yùn)載火箭方案中可作為短期替代之用。

由于固體發(fā)動(dòng)機(jī)價(jià)格相對(duì)比較昂貴，暫未納入大型運(yùn)載火箭總體方案論證的選擇范圍。

根據(jù)推進(jìn)劑種類和級(jí)數(shù)，大型運(yùn)載火箭方案可能的組合如表1和表2所示。

表1 一級(jí)半方案Tab.1 One-and-a-half-stage schemes

表2 二級(jí)半方案Tab.2 Two-and-a-half-stage schemes

注：方案代號(hào)表示推進(jìn)劑的組成和級(jí)數(shù)，字母表示推進(jìn)劑的種類，數(shù)字表示級(jí)數(shù)。

字母R-液氧、煤油；U—四氧化二氮、偏二甲肼；H—液氫、液氧。

數(shù)字1—一級(jí)半；2—二級(jí)半。

例如：RRH2 第一個(gè)字母R表示助推器的推進(jìn)劑為液氧、煤油，第二個(gè)字母R表示芯一級(jí)的推進(jìn)劑為液氧、煤油，第三個(gè)字母H表示芯二級(jí)的推進(jìn)劑為液氫、液氧，最后一個(gè)數(shù)字2表示二級(jí)半火箭。

1.2.2 火箭的級(jí)數(shù)

火箭級(jí)數(shù)選擇時(shí)重點(diǎn)考慮了可靠性、航區(qū)安全和箭體彈性等因素：

1) 從可靠性考慮，減少火箭級(jí)數(shù)是提高可靠性的一種途徑，是世界大型運(yùn)載火箭的一種發(fā)展趨勢(shì)。20世紀(jì)80年代以前，世界各國用于載人航天的運(yùn)載火箭大多為多級(jí)火箭。20世紀(jì)80年代以后，隨著液氫液氧高能推進(jìn)劑的大量使用，低軌道運(yùn)載開始向一級(jí)半形式發(fā)展。

多級(jí)火箭從級(jí)的角度看是串聯(lián)系統(tǒng)，總的故障率F等于各級(jí)故障率Fi之和。

可以認(rèn)為級(jí)數(shù)愈多，故障率愈高，可靠性愈低。這方面的實(shí)例較多，1993年10月印度發(fā)射的四級(jí)半火箭未成功，是第三級(jí)火箭出了故障。如果該火箭是兩級(jí)半方案則可能會(huì)發(fā)射成功。

另外，一級(jí)半火箭所有發(fā)動(dòng)機(jī)都在地面點(diǎn)火，沒有空中點(diǎn)火的問題；還有一級(jí)半火箭沒有空中串聯(lián)式的級(jí)間分離。這些都對(duì)提高運(yùn)載火箭可靠性有利。

因此，一級(jí)半方案比二級(jí)半方案可靠性高，符合國際上大型運(yùn)載火箭的發(fā)展趨勢(shì)。

2) 從航區(qū)安全考慮，二級(jí)半方案比一級(jí)半方案多一個(gè)級(jí)，相應(yīng)多一個(gè)箭體落區(qū)，對(duì)航區(qū)安全也不利。

3) 從箭體彈性考慮，在相同直徑下，總長(zhǎng)度一級(jí)半方案要比兩級(jí)半短。這對(duì)改善箭體彈性和進(jìn)一步發(fā)展增加上面級(jí)有利。

因此，大型運(yùn)載火箭應(yīng)優(yōu)先考慮采用一級(jí)半方案。

1.2.3 火箭的直徑

火箭直徑與有效載荷尺寸、火箭結(jié)構(gòu)、箭體彈性、火箭運(yùn)輸、上面級(jí)、發(fā)展余地等方面有關(guān)。

1) 隨著火箭起飛質(zhì)量增加，火箭的直徑也應(yīng)加大，以保證箭體彈性和氣動(dòng)外形的合理性。

國外代表性大型運(yùn)載火箭芯級(jí)直徑與起飛質(zhì)量的比例關(guān)系如表3所示。

表3 國外代表性大型運(yùn)載火箭芯級(jí)直徑與起飛質(zhì)量的比例關(guān)系Tab.3 The proportional relation between core diameter andthe take off weight of representative foreign powerfullaunch vehicles

2) 火箭直徑要與有效載荷的直徑相匹配，我國空間站直徑定為4.2m，考慮到太陽帆板以及動(dòng)包絡(luò)，整流罩的直徑需要5.0m左右。

3) 火箭直徑大對(duì)今后發(fā)展有利。如增加上面級(jí)，增加捆綁助推器的數(shù)量等。

由表3可看出，由于法國阿里安4芯級(jí)直徑偏小，而不得不發(fā)展阿里安5；蘇聯(lián)由于聯(lián)盟號(hào)(東方號(hào))直徑偏小，同樣不得不發(fā)展質(zhì)子號(hào)，來滿足運(yùn)載需求的增長(zhǎng)。

4) 火箭直徑大對(duì)運(yùn)載能力發(fā)展有利。目前CZ-3A、CZ-3B受到直徑限制而制約運(yùn)載能力進(jìn)一步增加，芯級(jí)直徑和運(yùn)載能力覆蓋范圍如表4所示。

表4 火箭芯級(jí)直徑和運(yùn)載能力覆蓋范圍關(guān)系表Tab.4 The relationship between core diameter andthe carrying capacity of the launch vehicle

5) 大直徑箭體的運(yùn)輸問題是可以解決的。

根據(jù)以上情況，我國的大型運(yùn)載火箭直徑采用5m較為合適。

1.2.4 發(fā)射場(chǎng)

發(fā)射場(chǎng)的選擇與大型火箭方案的選擇緊密相關(guān)，當(dāng)時(shí)我國的航天運(yùn)載發(fā)射場(chǎng)有酒泉發(fā)射場(chǎng)、西昌發(fā)射場(chǎng)和太原發(fā)射場(chǎng)。

921載人航天工程的發(fā)射工位選定在酒泉發(fā)射場(chǎng)，在此基礎(chǔ)上擴(kuò)建可供大型運(yùn)載火箭發(fā)射使用。其他兩個(gè)發(fā)射場(chǎng)如要發(fā)射大型運(yùn)載人箭則需新建發(fā)射工位，但酒泉發(fā)射場(chǎng)存在3個(gè)方面的缺點(diǎn)。

1)酒泉發(fā)射場(chǎng)地處內(nèi)陸，傾角60°的飛行航區(qū)在過蘭州后途經(jīng)中南和東南地區(qū)各省，人口稠密。因此在酒泉發(fā)射時(shí)，箭體落點(diǎn)應(yīng)不超過寶雞一線，即要求箭體落點(diǎn)射程要小于850km(見圖1)。

從航區(qū)安全考慮，世界各國的運(yùn)載發(fā)射場(chǎng)絕大多數(shù)選擇在沿海地區(qū)，對(duì)于這個(gè)問題我們應(yīng)作進(jìn)一步考慮。

2)酒泉發(fā)射場(chǎng)緯度較高(北緯41°)，對(duì)發(fā)射地球同步軌道的航天器不利。與北緯23°(相當(dāng)于廣東沿海地區(qū))的發(fā)射場(chǎng)比較，地球同步軌道的有效載荷質(zhì)量要損失18%。

3)由于酒泉發(fā)射場(chǎng)的緯度高，不能直接發(fā)射小于40°軌道傾角的航天器，若通過施加偏航程序完成此類任務(wù)，則會(huì)造成運(yùn)載能力極大的損失。

在我國沿海地區(qū)建立發(fā)射場(chǎng)的可能方案有：廣東沿海地區(qū)(以廣東陽江為主)、海南地區(qū)、浙江舟山群島、臺(tái)灣臺(tái)東南部沿海地區(qū)。選擇沿海發(fā)射場(chǎng)要考慮的因素包括：多種軌道傾角的射向適應(yīng)性，如射向內(nèi)無重要居民點(diǎn)，有可供設(shè)置測(cè)量站的島嶼等；低緯度；交通方便；氣候條件良好；城市依托條件有利。

2 大型運(yùn)載火箭總體參數(shù)計(jì)算

2.1 總體參數(shù)計(jì)算的原始條件

總體參數(shù)計(jì)算的原始條件主要包括：

1)根據(jù)空間站的尺寸要求，大型運(yùn)載火箭的整流罩質(zhì)量約為6000kg，直徑為5m，全長(zhǎng)20m；

2)發(fā)射場(chǎng)考慮酒泉和沿海兩種情況；

3)發(fā)射場(chǎng)為酒泉時(shí)，箭體落點(diǎn)射程要小于850km；沿海發(fā)射場(chǎng)，箭體落點(diǎn)射程無約束；

4)發(fā)動(dòng)機(jī)的性能參數(shù)按有關(guān)方協(xié)商確定；

5)火箭直徑為5m，助推器直徑為3.35m；

6)火箭子級(jí)死重系數(shù)設(shè)定為： 液氧煤油子級(jí)，基礎(chǔ)級(jí)為0.09，上面級(jí)為0.10；氫氧子級(jí)，基礎(chǔ)級(jí)為0.12，上面級(jí)為0.13(四氧化二氮/偏二甲肼基礎(chǔ)級(jí)與液氧煤油相同為0.09)。(這里基礎(chǔ)級(jí)是指：對(duì)一級(jí)半火箭是助推器，對(duì)二級(jí)半火箭是助推器和芯一級(jí)；上面級(jí)是指：對(duì)一級(jí)半火箭是芯一級(jí)，對(duì)二級(jí)半火箭是芯二級(jí)。)

大型運(yùn)載火箭總體參數(shù)計(jì)算是按20t空間站要求，經(jīng)過1000多種不同搭配組合的方案計(jì)算，再從中選優(yōu)確定的。

計(jì)算結(jié)果表明，若火箭全部采用四氧化二氮+偏二甲肼，該方案的起飛質(zhì)量達(dá)2300t級(jí)，同時(shí)起飛推力需要3000t，所以火箭全部采用四氧化二氮+偏二甲肼的方案不可取。

2.2 一級(jí)半方案總體參數(shù)

對(duì)于一級(jí)半構(gòu)型，根據(jù)基礎(chǔ)級(jí)和上面級(jí)可能采用的不同推進(jìn)劑類型，共有4種組合。

1)方案1(RH1)：助推器推進(jìn)劑采用液氧+煤油、芯一級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+液氫；

2)方案2(UH1)：助推器推進(jìn)劑采用四氧化二氮+偏二甲肼、芯一級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+液氫；

3)方案3(HH1)：助推器推進(jìn)劑采用液氧+液氫、芯一級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+液氫；

4)方案4(RR1)：助推器推進(jìn)劑采用液氧+煤油、芯一級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+煤油。

根據(jù)選擇發(fā)射場(chǎng)的不同，總體參數(shù)的選擇也存在差異，4種組合的總體參數(shù)如表5～表8所示。

表5 一級(jí)半方案1選用不同發(fā)射場(chǎng)的總體參數(shù)

表6 一級(jí)半方案2選用不同發(fā)射場(chǎng)的總體參數(shù)Tab.6 The system parameters of one-and-a-half-stage scheme 2 at different launch sites

表7 一級(jí)半方案3選用不同發(fā)射場(chǎng)的總體參數(shù)Tab.7 The system parameters of one-and-a-half-stage scheme 3 at different launch sites

表8 一級(jí)半方案4選用不同發(fā)射場(chǎng)的總體參數(shù)Tab.8 The system parameters of one-and-a-half-stage scheme 4 at different launch sites

2.3 二級(jí)半方案總體參數(shù)

對(duì)于二級(jí)半構(gòu)型，根據(jù)基礎(chǔ)級(jí)和上面級(jí)可能采用的不同推進(jìn)劑類型，也存在4種組合。

1)方案1(RRH2)：助推器和芯一級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+煤油、芯二級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+液氫；

2)方案2(UUH2)：助推器和芯一級(jí)推進(jìn)劑采用四氧化二氮+偏二甲肼、芯二級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+液氫；

3)方案3(HHH2)：助推器和芯一級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+液氫、芯二級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+液氫；

4)方案4(RRR2)：助推器和芯一級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+煤油、芯二級(jí)推進(jìn)劑采用液氧+煤油。

根據(jù)選擇發(fā)射場(chǎng)的不同，二級(jí)半構(gòu)型4種組合的總體參數(shù)如表9～表12所示：

表9 二級(jí)半方案1選用不同發(fā)射場(chǎng)的總體參數(shù)Tab.9 The system parameters of two-and-a-half-stage scheme 1 at different launch sites

表10 二級(jí)半方案2選用不同發(fā)射場(chǎng)的總體參數(shù)Tab.10 The system parameters of two-and-a-half-stage scheme 2 at different launch sites

表11 二級(jí)半方案3選用不同發(fā)射場(chǎng)的總體參數(shù)Tab.11 The system parameters of two-and-a-half-stage scheme 3 at different launch sites

表12 二級(jí)半方案4選用不同發(fā)射場(chǎng)的總體參數(shù)Tab.12 The system parameters of two-and-a-half-stage scheme 4 at different launch sites

根據(jù)總體參數(shù)計(jì)算得到沿海發(fā)射場(chǎng)方案起飛質(zhì)量比較如表13所示，各種火箭方案起飛質(zhì)量的比較如圖2所示，各種火箭方案外形圖如圖3所示，各種火箭方案起飛質(zhì)量與運(yùn)載能力的關(guān)系如圖4、圖5所示。

表13 沿海發(fā)射場(chǎng)各種起飛質(zhì)量的比較

3 對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)要求

大型運(yùn)載火箭對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的要求是通過大量的總體方案計(jì)算分析之后提出來的。

3.1 各種火箭方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)推力和工作時(shí)間的要求

表14～表17中數(shù)據(jù)單位：分子為發(fā)動(dòng)機(jī)推力1000kgf(噸力)，分母為發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間1s。

(1)一級(jí)半(酒泉發(fā)射場(chǎng))

表14 一級(jí)半方案酒泉發(fā)射場(chǎng)對(duì)推力和工作時(shí)間的要求

(2)一級(jí)半(沿海發(fā)射場(chǎng))

表15 一級(jí)方案型沿海發(fā)射場(chǎng)對(duì)推力和工作時(shí)間的要求

(3)二級(jí)半(酒泉發(fā)射場(chǎng))

表16 二級(jí)半方案酒泉發(fā)射場(chǎng)對(duì)推力和工作時(shí)間的要求

(4)二級(jí)半(沿海發(fā)射場(chǎng))

表17 二級(jí)半方案沿海發(fā)射場(chǎng)對(duì)推力和工作時(shí)間的要求

3.2 大型運(yùn)載火箭主要方案對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的要求

綜合上述總體參數(shù)的計(jì)算結(jié)果，對(duì)推進(jìn)系統(tǒng)的基本要求為：

1)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力宜采用120t級(jí)為一種發(fā)展模塊并開展研制。

2)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推力宜采用50t級(jí)為一種發(fā)展模塊并開展研制。

大型運(yùn)載火箭系列中的各種推進(jìn)系統(tǒng)選擇，都以上述兩種發(fā)動(dòng)機(jī)基本要求模塊為基礎(chǔ),根據(jù)火箭方案的不同要求作適應(yīng)性調(diào)整。

4 結(jié)論與發(fā)展藍(lán)圖

根據(jù)發(fā)射空間站低軌道20t運(yùn)載能力的要求，在不同發(fā)射場(chǎng)條件下，對(duì)大型運(yùn)載火箭的級(jí)數(shù)、直徑、推進(jìn)劑選擇和發(fā)動(dòng)機(jī)推力等進(jìn)行分析計(jì)算，得到了不同推進(jìn)劑組成條件下大型運(yùn)載火箭基本總體參數(shù)，提出了對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)參數(shù)的要求。從火箭起飛質(zhì)量規(guī)模、無毒無污的要求及液氧煤油和氫氧兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的各自特點(diǎn)，提出發(fā)射20t空間站的大型運(yùn)載火箭采用液氧煤油和氫氧兩種發(fā)動(dòng)機(jī)為動(dòng)力、直徑5m的火箭方案及其發(fā)展藍(lán)圖。

圖6和圖7列出一級(jí)半方案和兩級(jí)半方案大型運(yùn)載火箭發(fā)展藍(lán)圖。