我國(guó)新一代中型高軌運(yùn)載火箭發(fā)展研究

王小軍，徐利杰

(1.中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)研究院，北京 100076; 2.北京宇航系統(tǒng)工程研究所，北京 100076)

0 引言

我國(guó)長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭歷經(jīng)了從最初的艱苦創(chuàng)業(yè)、走向世界，到21世紀(jì)初的載人飛行、圓夢(mèng)奔月，再到近些年的高密度發(fā)射、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展等多個(gè)發(fā)展階段，實(shí)現(xiàn)了從無(wú)到有，從串聯(lián)到捆綁，從一箭一星到一箭多星，從發(fā)射衛(wèi)星到發(fā)射載人飛船和月球探測(cè)器，從現(xiàn)役運(yùn)載火箭到新一代運(yùn)載火箭等一系列重大跨越;逐步發(fā)展成為由多種型號(hào)組成的運(yùn)載火箭系列，具備進(jìn)入低、中、高等多種軌道的能力，入軌精度達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平[1-2]。特別是以CZ-6、CZ-7和CZ-5為代表的新一代運(yùn)載火箭相繼成功首飛和應(yīng)用發(fā)射，使我國(guó)運(yùn)載火箭綜合能力進(jìn)入國(guó)際先進(jìn)行列。為了盡快形成更新?lián)Q代能力，填補(bǔ)我國(guó)GTO軌道7.0t的運(yùn)載能力空白，我國(guó)開(kāi)展了新一代高軌運(yùn)載火箭CZ-7A的論證和研制，即在CZ-7基礎(chǔ)上，增加CZ-3A氫氧三子級(jí)，在海南文昌發(fā)射GTO軌道衛(wèi)星，運(yùn)載能力不低于7.0t[3-5]。

由于CZ-7A火箭基于現(xiàn)有模塊構(gòu)建，設(shè)計(jì)有待進(jìn)一步優(yōu)化，主要體現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：1)整流罩直徑采用4.2m，不能適應(yīng)大型衛(wèi)星包絡(luò)的需求；2)運(yùn)載系數(shù)低于國(guó)外先進(jìn)水平，火箭性能還有進(jìn)一步提升的空間；3)尚未形成合理的運(yùn)載能力梯度。因此，結(jié)合國(guó)外運(yùn)載火箭發(fā)展趨勢(shì)、我國(guó)運(yùn)載火箭領(lǐng)域的最新技術(shù)發(fā)展以及建設(shè)航天強(qiáng)國(guó)和世界一流企業(yè)的要求，需要持續(xù)完善我國(guó)新一代運(yùn)載火箭構(gòu)型，以更少的火箭級(jí)數(shù)、模塊和發(fā)動(dòng)級(jí)臺(tái)數(shù)，減少分離次數(shù)，簡(jiǎn)化系統(tǒng)，滿足后續(xù)GTO軌道有效載荷的發(fā)射任務(wù)需求，從而降低火箭成本，提升市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

本文在對(duì)國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行研判的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)衛(wèi)星發(fā)射需求，開(kāi)展了我國(guó)中型高軌運(yùn)載火箭的發(fā)展研究，提出了構(gòu)型優(yōu)化方案，為后續(xù)新一代高軌火箭的優(yōu)化和發(fā)展提供參考。

1 國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭發(fā)展趨勢(shì)研判

通過(guò)對(duì)世界各國(guó)運(yùn)載火箭發(fā)展趨勢(shì)的研判，各航天國(guó)家的主要發(fā)展趨勢(shì)體現(xiàn)為：

(1)世界各國(guó)正在開(kāi)展下一代運(yùn)載火箭的研制，成本因素成為主要驅(qū)動(dòng)力

近年來(lái)，SpaceX公司在法爾肯9火箭的研制和發(fā)射中大放異彩，并且逐步進(jìn)入和占領(lǐng)商業(yè)航天，乃至政府和軍事航天發(fā)射領(lǐng)域。為了應(yīng)對(duì)SpaceX公司在主流發(fā)射市場(chǎng)上的不斷挑戰(zhàn)，美國(guó)發(fā)射聯(lián)盟(ULA)正在研制火神下一代運(yùn)載火箭(NGLS)，取代德?tīng)査?和宇宙神5兩型改進(jìn)型一次性運(yùn)載火箭(EELV)，通過(guò)構(gòu)型的精簡(jiǎn)、產(chǎn)品性能的提升，增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力；同時(shí)，美國(guó)空軍還支持藍(lán)色起源公司的新格倫(New Glenn)以及諾格創(chuàng)新公司的歐米伽(OmegA)火箭的研制，這三型火箭均預(yù)計(jì)于2021年首飛。

俄羅斯在完成安加拉火箭首飛后，又提出聯(lián)盟5火箭的研制計(jì)劃；歐洲則將阿里安6火箭作為其下一代運(yùn)載器(NGL)，目的是滿足歐洲持續(xù)的科學(xué)和商業(yè)市場(chǎng)發(fā)展需求，同時(shí)降低發(fā)射成本，預(yù)計(jì)2020年首飛；日本正在研制H3新一代主力火箭，預(yù)計(jì)GTO軌道運(yùn)載能力為6.5t，是H2A運(yùn)載能力的1.6倍，但成本僅為H2A火箭的一半，且發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間由H2A火箭的2年縮減至1年，預(yù)計(jì)2020年前后首飛。

通過(guò)對(duì)國(guó)外運(yùn)載火箭研制趨勢(shì)的分析，預(yù)計(jì)2021年前后，世界各主要航天國(guó)家將推出以低成本、高可靠為代表的下一代運(yùn)載火箭。

(2)采用“模塊化、組合化、系列化”設(shè)計(jì)思路,提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力

面對(duì)主流發(fā)射市場(chǎng)激烈競(jìng)爭(zhēng)的局面，各國(guó)研制火箭均采用了“模塊化、組合化、系列化”的設(shè)計(jì)思路，采用更少的模塊組合形成滿足不同運(yùn)載能力需求的構(gòu)型，采用標(biāo)準(zhǔn)化、模塊化的衛(wèi)星適配器、整流罩，繼承前期成熟火箭構(gòu)型模塊的研制基礎(chǔ)，最大程度地降低火箭研制費(fèi)用，減少產(chǎn)品生產(chǎn)設(shè)備數(shù)量和規(guī)模，提升產(chǎn)品配套能力，縮短任務(wù)準(zhǔn)備周期，簡(jiǎn)化發(fā)射場(chǎng)的使用操作流程，并最終提升了火箭產(chǎn)品市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。

(3)采用創(chuàng)新技術(shù),不斷提高火箭性能和可靠性、降低發(fā)射成本

伴隨著航天全球化的發(fā)展趨勢(shì)，運(yùn)載技術(shù)發(fā)展速度明顯加快，以美國(guó)為代表的航天大國(guó)已由單純追求更大運(yùn)載能力向“快速、經(jīng)濟(jì)、可靠、安全”等方向轉(zhuǎn)變。其中，減少火箭模塊、子級(jí)模塊或重要部段采用重復(fù)使用技術(shù)是提升火箭市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力的有力手段，如法爾肯9系列火箭、火神系列和阿里安6系列火箭等。此外，采用一體化設(shè)計(jì)、鋁鋰合金、復(fù)合材料、智慧控制等先進(jìn)技術(shù)，利用在線故障診斷與控制律重構(gòu)，通過(guò)漸近式發(fā)展和技術(shù)的迭代，在提高火箭運(yùn)載系數(shù)和飛行可靠性的同時(shí)，降低單位有效載荷的發(fā)射成本。

(4)采用綠色環(huán)保推進(jìn)劑，減少環(huán)境污染

有毒推進(jìn)劑的生產(chǎn)、運(yùn)輸、儲(chǔ)存、使用、試驗(yàn)、銷毀到殘骸內(nèi)剩余推進(jìn)劑的處理等環(huán)節(jié)均對(duì)環(huán)境危害大，且需要付出巨大成本代價(jià)，不符合綠色環(huán)保的國(guó)際發(fā)展潮流。目前，除了俄羅斯質(zhì)子號(hào)運(yùn)載火箭外，國(guó)外主流國(guó)家、主流運(yùn)載火箭均采用綠色環(huán)保推進(jìn)劑。

(5)采用先進(jìn)測(cè)發(fā)技術(shù)，縮短發(fā)射周期，實(shí)現(xiàn)加注無(wú)人值守

國(guó)外大中型運(yùn)載火箭在發(fā)射場(chǎng)測(cè)試的流程一般20天左右，發(fā)射場(chǎng)人員幾十人，火箭到發(fā)射臺(tái)后基本實(shí)現(xiàn)無(wú)人自動(dòng)操作；具備在多處不同地點(diǎn)進(jìn)行協(xié)同遠(yuǎn)程發(fā)射控制、輔助支持工作的能力。與其他航天強(qiáng)國(guó)相比，我國(guó)航天發(fā)射任務(wù)在射前準(zhǔn)備過(guò)程中自動(dòng)化程度較低，發(fā)射區(qū)操作特別是在火箭推進(jìn)劑開(kāi)始加注后，仍無(wú)法做到前端無(wú)人值守，存在一定的安全風(fēng)險(xiǎn)；其次，新一代運(yùn)載火箭測(cè)試發(fā)射時(shí)間長(zhǎng)，發(fā)射場(chǎng)測(cè)試流程一般在40天左右。因此，還需要采用先進(jìn)測(cè)發(fā)技術(shù)，進(jìn)一步縮短我國(guó)新一代運(yùn)載火箭的發(fā)射周期，應(yīng)用零秒連接器、自動(dòng)對(duì)接等先進(jìn)技術(shù)，實(shí)現(xiàn)加注后前端無(wú)人值守，降低安全風(fēng)險(xiǎn)。

2 需求分析

2.1 衛(wèi)星發(fā)射需求分析

按照初步統(tǒng)計(jì)分析，從2018—2035年我國(guó)預(yù)計(jì)發(fā)射航天器1600余顆，年度發(fā)射趨勢(shì)與2017年10月歐洲咨詢公司發(fā)布的《衛(wèi)星制造與發(fā)射全球市場(chǎng)分析報(bào)告》所披露的國(guó)際發(fā)射趨勢(shì)大體相同。其中,GEO軌道衛(wèi)星預(yù)計(jì)120余顆，2025年前，年均都在10顆以上;單星質(zhì)量5000kg～6000kg的衛(wèi)星數(shù)量最多，約為60顆，占高軌發(fā)射的50%，未來(lái)5500kg以上的高軌衛(wèi)星將開(kāi)始逐步發(fā)展；8000kg左右的衛(wèi)星30余顆，約占30%。另外，針對(duì)GTO衛(wèi)星質(zhì)量增加，衛(wèi)星對(duì)整流罩直徑也提出了更高要求，要求具備5.2m整流罩的發(fā)射能力。

結(jié)合我國(guó)高軌衛(wèi)星的發(fā)射需求，我國(guó)新一代中型高軌衛(wèi)星需要覆蓋GTO 7000kg以下及8000kg左右兩個(gè)區(qū)間的市場(chǎng)需求。火箭整流罩可選4.2m或5.2m。

2.2 技術(shù)發(fā)展需求分析

新一代中型運(yùn)載火箭于2006年開(kāi)始啟動(dòng)研制，經(jīng)10年的攻關(guān)研制，于2016年首飛并取得圓滿成功，為我國(guó)新一代中型系列構(gòu)型火箭的發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。

隨著研制的逐步深入和運(yùn)載火箭的技術(shù)進(jìn)步，新一代液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)YF-100性能進(jìn)一步提升，新材料、新工藝、電氣一體化、YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)、子級(jí)可重復(fù)使用等先進(jìn)技術(shù)也取得了突破[6-8]。因此，需要推進(jìn)新技術(shù)的應(yīng)用，持續(xù)開(kāi)展運(yùn)載火箭構(gòu)型優(yōu)化和能力提升，提高市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。本文重點(diǎn)針對(duì)我國(guó)新一代中型高軌火箭的構(gòu)型開(kāi)展優(yōu)化論證，主要考慮在西昌發(fā)射，后續(xù)用于實(shí)現(xiàn)對(duì)CZ-3A系列火箭的更新?lián)Q代，同時(shí)內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)的落區(qū)安全可控也作為重要的指標(biāo)予以考慮。

3 我國(guó)中型高軌運(yùn)載火箭發(fā)展研究

3.1 基礎(chǔ)構(gòu)型

新一代中型高軌火箭基礎(chǔ)構(gòu)型是在CZ-7火箭基礎(chǔ)上，與CZ-3A系列火箭三子級(jí)組合化形成三級(jí)半構(gòu)型運(yùn)載火箭，芯一級(jí)采用3.35m直徑，安裝兩臺(tái)YF-100，芯二級(jí)并聯(lián)安裝4臺(tái)單機(jī)推力180kN的YF-115液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，采用兩機(jī)固定、兩機(jī)雙擺實(shí)現(xiàn)控制；芯三級(jí)采用兩臺(tái)YF-75發(fā)動(dòng)機(jī)，采用雙機(jī)雙擺；捆綁4個(gè)2.25m直徑的助推器，分別安裝一臺(tái)YF-100，發(fā)動(dòng)機(jī)單擺；整流罩直徑4.2m，在發(fā)射場(chǎng)整流罩與有效載荷整體垂直運(yùn)輸、吊裝，火箭整體示意圖如圖1所示。

圖1 三級(jí)半高軌基礎(chǔ)構(gòu)型整體示意圖Fig.1 The sketch of a three and half stages basic launch vehicle for GTO mission

基于當(dāng)前我國(guó)新一代中型高軌運(yùn)載火箭的構(gòu)型方案，從優(yōu)化末級(jí)、二級(jí)推力、采用兩級(jí)半構(gòu)型等方案開(kāi)展構(gòu)型優(yōu)化論證分析。

3.2 氫氧末級(jí)構(gòu)型優(yōu)化

3.2.1 末級(jí)主動(dòng)力選擇

氫氧末級(jí)具有高比沖性能的特點(diǎn)，國(guó)外主流運(yùn)載火箭，如宇宙神5火箭的通用半人馬座末級(jí)、德?tīng)査蘒V火箭的末級(jí)、火神火箭的ACES末級(jí)、阿里安5火箭的ESC-A/B末級(jí)、H2A/H2B火箭的末級(jí)等均采用氫氧動(dòng)力。我國(guó)的CZ-3A、CZ-5火箭也均采用氫氧推進(jìn)劑作為末級(jí)的主動(dòng)力。

新一代中型高軌運(yùn)載火箭建議采用氫氧末級(jí)作為主動(dòng)力，立足現(xiàn)有成熟發(fā)動(dòng)機(jī)，當(dāng)前可選方案為YF-75和YF-75D兩型，分別為CZ-3A系列火箭和CZ-5火箭末級(jí)主發(fā)動(dòng)機(jī)。YF-75D是在YF-75燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)基礎(chǔ)上進(jìn)行改進(jìn)而成的閉式膨脹循環(huán)發(fā)動(dòng)機(jī)，在推力、比沖等關(guān)鍵參數(shù)上有所提升。這兩型發(fā)動(dòng)機(jī)從技術(shù)先進(jìn)性、經(jīng)濟(jì)性、發(fā)動(dòng)機(jī)適應(yīng)性、系統(tǒng)固有可靠性、驗(yàn)證可靠性和使用維護(hù)性等方面對(duì)比見(jiàn)表1。YF-75D采用閉式膨脹循環(huán)，混合比高，整體結(jié)構(gòu)效率更好，系統(tǒng)方案優(yōu)于采用燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)的YF-75，后續(xù)拓展性強(qiáng)，故優(yōu)先選用YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)。

表1 YF-75與YF-75D分析比較

注：“+”代表優(yōu)于，“-”代表相比較差，“O”代表各有優(yōu)劣。

針對(duì)三級(jí)半構(gòu)型和兩級(jí)半構(gòu)型，末級(jí)采用兩臺(tái)YF-75、兩臺(tái)YF-75D、單臺(tái)YF-75D、單臺(tái)YF-75E(比YF-75D增大噴口面積，比沖大約增加10s)等4種狀態(tài)進(jìn)行運(yùn)載能力分析，包括兩級(jí)半和三級(jí)半兩個(gè)構(gòu)型，主要結(jié)論如下：

1)末級(jí)采用兩臺(tái)YF-75發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)與采用單臺(tái)YF-75D狀態(tài)運(yùn)載能力相當(dāng)；

2)末級(jí)采用單臺(tái)YF-75E發(fā)動(dòng)機(jī)，即加大噴管狀態(tài)，運(yùn)載能力相比不加大噴管狀態(tài)大約提高200kg；

3)末級(jí)采用兩臺(tái)YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)狀態(tài)運(yùn)載能力最大，相比單臺(tái)YF-75D構(gòu)型，能力大約提高400kg～600kg。

通過(guò)對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)性能、火箭成本、不同構(gòu)型運(yùn)載能力、系統(tǒng)復(fù)雜度及后續(xù)拓展性等方面進(jìn)行綜合考慮，建議末級(jí)優(yōu)先選用單臺(tái)YF-75D狀態(tài)，后續(xù)可進(jìn)一步加大噴口面積，提升運(yùn)載能力。

3.2.2 末級(jí)直徑選擇

當(dāng)前CZ-3A火箭氫氧三子級(jí)采用3.0m直徑，相比3.35m直徑存在如下問(wèn)題：

1)模塊高度較高，導(dǎo)致全箭較長(zhǎng)，對(duì)全箭載荷、彈性控制等方面均有不利影響；

2)二三級(jí)級(jí)間段需要從3.35m過(guò)渡到3.0m，級(jí)間分離間隙較??；

3)由于整流罩倒錐角限制，末級(jí)3.0m直徑很難過(guò)渡到5.2m，限制了大直徑整流罩的使用。

結(jié)合衛(wèi)星需求、結(jié)構(gòu)效率及全箭控制等方面，建議末級(jí)采用3.35m直徑，加注規(guī)模20t級(jí)。

3.3 助推器和芯一級(jí)主動(dòng)力優(yōu)化

YF-100液氧煤油高壓補(bǔ)燃發(fā)動(dòng)機(jī)是為新一代運(yùn)載火箭配套研制的無(wú)毒、無(wú)污染、高性能、高可靠的基本動(dòng)力裝置，是我國(guó)首個(gè)采用補(bǔ)燃循環(huán)、自身起動(dòng)、變工況調(diào)節(jié)技術(shù)的液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，經(jīng)過(guò)了CZ-5、CZ-6、CZ-7等新一代運(yùn)載火箭的飛行驗(yàn)證。

YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)是以YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)，發(fā)動(dòng)機(jī)噴管改為泵后擺動(dòng)。發(fā)動(dòng)機(jī)搖擺部分質(zhì)量大幅減少，發(fā)動(dòng)機(jī)推力和比沖性能略有提升，對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)多機(jī)并聯(lián)布局搖擺間隙和伺服機(jī)構(gòu)功率需求降低，可采用電動(dòng)伺服進(jìn)行搖擺控制。

針對(duì)三級(jí)半構(gòu)型和兩級(jí)半構(gòu)型，助推器和芯一級(jí)均采用YF-100K和均采用YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)的GTO運(yùn)載能力進(jìn)行對(duì)比，采用YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)的GTO運(yùn)載能力大約超出500kg。因此，綜合考慮發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展，建議新一代中型高軌運(yùn)載火箭后續(xù)構(gòu)型助推器和芯一級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)由YF-100更換為YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)。

3.4 三級(jí)半構(gòu)型優(yōu)化

3.4.1 二級(jí)推力優(yōu)化

對(duì)于發(fā)射近地點(diǎn)高度約200km左右的LEO和GTO，火箭入軌點(diǎn)通常在近地點(diǎn)附近(高度較低)，火箭在較短的時(shí)間內(nèi)即可進(jìn)入軌道。通常情況下，火箭起飛并完成垂直段飛行后，迅速轉(zhuǎn)彎，至一二級(jí)分離時(shí)通常俯仰程序角約為20°?；鸺^(guò)載越大，加速越明顯，地球重力轉(zhuǎn)彎效果越弱；相反，加速能力越弱，地球重力轉(zhuǎn)彎效果越強(qiáng)。從圖2可知，火箭在飛行過(guò)程中彈道逐步轉(zhuǎn)彎，若能利用地球重力的轉(zhuǎn)彎作用，可以使火箭飛行攻角一直控制在較小的水平(推力均用來(lái)加速)，節(jié)省火箭飛行能量，從而提高運(yùn)載能力。因此，火箭各級(jí)飛行推力太小和太大都不合理，原因分析如下：

1)推力太大，火箭必須以較大的負(fù)攻角飛行，提供一指向地球的推力分量來(lái)提供火箭轉(zhuǎn)彎所需的向心力；

2)推力太小，火箭必須以較大的正攻角飛行，提供一指向地球引力反方向的分量來(lái)克服重力的轉(zhuǎn)彎效果；

3)對(duì)于某特定的軌道，在推力、級(jí)間比可調(diào)的條件下，通過(guò)彈道優(yōu)化，可求得滿足運(yùn)載能力要求的最優(yōu)推力和級(jí)間比。

圖2 火箭發(fā)射不同軌道示意圖Fig.2 The sketch of different orbits of launch vehicles

在二級(jí)采用4臺(tái)YF-115的情況下，推力僅為72t，火箭加速性能偏弱，在地球重力作用下，彈道下墜較快，火箭為抵抗重力作用，飛行攻角大(產(chǎn)生推力分量來(lái)抵消重力的作用)，損失運(yùn)載能力。因此，增大二級(jí)推力，有助于改善火箭飛行的彈道特性，提高運(yùn)載性能。

針對(duì)三級(jí)半構(gòu)型發(fā)射GTO軌道任務(wù)，隨著二級(jí)推力逐步增加，火箭的GTO運(yùn)載能力逐步增加，對(duì)應(yīng)的最優(yōu)二級(jí)加注量也逐步增加，如圖3所示。因此，二級(jí)推力增加有助于GTO運(yùn)載能力提高，針對(duì)最優(yōu)運(yùn)載能力需要增加二級(jí)推進(jìn)劑加注量。

圖3 CZ-734構(gòu)型二級(jí)推力、加注量與最優(yōu)運(yùn)載能力的關(guān)系(GTO)Fig.3 The relationship of capacity with thrust and propellants of the second stage of CZ-734

結(jié)合當(dāng)前我國(guó)發(fā)動(dòng)機(jī)的發(fā)展情況，對(duì)于三級(jí)半構(gòu)型，二級(jí)建議采用單臺(tái)YF-100M發(fā)動(dòng)機(jī)替代當(dāng)前的4臺(tái)YF-115發(fā)動(dòng)機(jī)，總推力由72t提高到146t。從理論上分析，三級(jí)半構(gòu)型在最優(yōu)加注量的情況下，GTO運(yùn)載能力將可提升1600kg左右，同時(shí)可減少二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)臺(tái)數(shù)，對(duì)火箭成本和可靠性均有好處。

3.4.2 助推器不分離

我國(guó)目前共有4個(gè)發(fā)射場(chǎng)，除了海南文昌發(fā)射場(chǎng)建設(shè)在沿海之外，其他3個(gè)發(fā)射場(chǎng)均位于內(nèi)陸，包括酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心、太原衛(wèi)星發(fā)射中心、西昌衛(wèi)星發(fā)射中心。在大多數(shù)發(fā)射方向上，航區(qū)均大范圍跨越我國(guó)內(nèi)陸地區(qū)，尤其是東射向和南射向，涵蓋了我國(guó)廣闊的人口稠密區(qū)，安全性問(wèn)題突出，內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)主要發(fā)射射向如圖4所示。

圖4 我國(guó)內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)主要發(fā)射射向Fig.4 The main launch direction of China’s inland launch center

減小火箭殘骸對(duì)落區(qū)造成的影響，一方面可通過(guò)減少火箭殘骸數(shù)量，減少落點(diǎn)分布；另一方面可通過(guò)傘降或基于柵格舵實(shí)現(xiàn)殘骸落區(qū)定點(diǎn)控制。

對(duì)于三級(jí)半的基礎(chǔ)構(gòu)型，由于受落區(qū)限制，在西昌發(fā)射場(chǎng)需要通過(guò)彈道設(shè)計(jì)調(diào)整落區(qū)，相比火箭的最優(yōu)性能約損失運(yùn)載能力1200kg。針對(duì)二級(jí)采用YF-100M發(fā)動(dòng)機(jī)的三級(jí)半改進(jìn)構(gòu)型，在西昌發(fā)射GTO任務(wù)，考慮助推器與芯一級(jí)不分離，通過(guò)彈道分析，助推器和芯一級(jí)可落于CZ-3B一級(jí)落區(qū)，二級(jí)落區(qū)位于臺(tái)灣海峽以東、北馬里亞納群島以西的太平洋海域，落區(qū)安全較好。同時(shí)，后續(xù)考慮在助推器和芯一級(jí)組合體上增加可控翼傘或柵格舵，實(shí)施殘骸落點(diǎn)的可控回收，進(jìn)一步縮小落區(qū)范圍，降低對(duì)落區(qū)的影響。

通過(guò)助推器不分離，可將三級(jí)半構(gòu)型的殘骸由7個(gè)減少為3個(gè)，特別是落在內(nèi)陸的殘骸由5個(gè)減少為1個(gè)，最大程度減小火箭殘骸多落區(qū)的影響。采用助推器不分離方案，簡(jiǎn)化了級(jí)間捆綁和分離結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，提高了全箭分離系統(tǒng)的可靠性。

3.4.3 構(gòu)型狀態(tài)

通過(guò)優(yōu)化，未來(lái)優(yōu)化的三級(jí)半構(gòu)型基本方案為：芯一級(jí)直徑3.35m，安裝兩臺(tái)YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)；芯二級(jí)直徑3.35m，采用單臺(tái)YF-100M發(fā)動(dòng)機(jī)；芯三級(jí)直徑3.35m，采用單臺(tái)YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)；捆綁4枚2.25m助推器，每個(gè)助推器安裝1臺(tái)YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)，助推器與芯一級(jí)不分離；可采用4.2m或5.2m整流罩。與基礎(chǔ)構(gòu)型相比，主要狀態(tài)變化如圖5所示。

圖5 三級(jí)半二級(jí)換YF-100M構(gòu)型與基本構(gòu)型對(duì)比Fig.5 The comparison between a basic type and a second stage with YF-100M type of a three and a half stages launch vehicle

相比基礎(chǔ)構(gòu)型，該構(gòu)型的主要特點(diǎn)如下：

1)全箭包含7個(gè)主要模塊，8臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，相比基礎(chǔ)構(gòu)型，少了4臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)；

2)四助推構(gòu)型在西昌發(fā)射，GTO運(yùn)載能力為8.2t，去掉兩個(gè)助推器后GTO運(yùn)載能力為5.5t，具有一定的運(yùn)載能力梯度，可覆蓋我國(guó)主要衛(wèi)星發(fā)射需求；

3)助推器和芯一級(jí)模塊可以與我國(guó)新一代中型火箭實(shí)現(xiàn)通用化；

4)助推器與芯一級(jí)不分離，在西昌發(fā)射，助推器和芯一級(jí)的組合體可選擇在CZ-3A系列火箭的芯一級(jí)落區(qū)，后續(xù)通過(guò)可控翼傘等進(jìn)一步縮小落區(qū)，減少對(duì)落區(qū)造成的影響。

3.5 兩級(jí)半構(gòu)型優(yōu)化

采用兩級(jí)半構(gòu)型發(fā)射GTO軌道，需要取消二子級(jí)，原二級(jí)提供的速度增量需要由芯一級(jí)或助推器承擔(dān)，由于原構(gòu)型2.25m助推器長(zhǎng)細(xì)比已接近12，不宜進(jìn)一步加長(zhǎng)。因此，兩級(jí)半構(gòu)型的主要方案有兩個(gè)方向：

1)取消液氧煤油二級(jí)，加長(zhǎng)一子級(jí)，即將原二級(jí)的加注量全部加到一級(jí)；

2)取消液氧煤油二級(jí)，采用3個(gè)3.35m通用芯級(jí)捆綁方案，即將原二級(jí)的加注量平均分配到3個(gè)通用模塊中。

以下分別對(duì)兩種狀態(tài)的構(gòu)型開(kāi)展分析。

3.5.1 加長(zhǎng)芯一級(jí)狀態(tài)

采用加長(zhǎng)狀態(tài)的芯一級(jí)，直徑3.35m，安裝兩臺(tái)YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)，總加注量接近240t，總長(zhǎng)接近34m；芯二級(jí)直徑3.35m，采用單臺(tái)YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)；捆綁4枚2.25m助推器，每個(gè)助推器安裝1臺(tái)YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)，可采用4.2m或5.2m整流罩。與基礎(chǔ)構(gòu)型相比，主要狀態(tài)變化如圖6所示。

圖6 兩級(jí)半構(gòu)型一級(jí)加長(zhǎng)狀態(tài)與基本構(gòu)型對(duì)比Fig.6 The comparison between a basic type and a longer first stage of a two and half stages launch vehicle

相比基礎(chǔ)構(gòu)型，該構(gòu)型的主要特點(diǎn)如下：

1)全箭包含6個(gè)主要模塊，7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，相比基礎(chǔ)構(gòu)型，少了5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)；

2)兩級(jí)半芯一級(jí)加長(zhǎng)構(gòu)型，在西昌發(fā)射GTO軌道的運(yùn)載能力為7.2t，去掉兩個(gè)助推器GTO運(yùn)載能力為5.0t，具備一定的運(yùn)載能力梯度覆蓋；

3)芯一級(jí)總長(zhǎng)接近34m，在內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)的運(yùn)輸比較困難，初步分析只能分段運(yùn)輸，在發(fā)射場(chǎng)進(jìn)行總裝；

4)由于芯級(jí)加長(zhǎng)，助推器不加長(zhǎng)，因此助推器前捆綁點(diǎn)和中捆綁點(diǎn)需要分別捆綁在芯一級(jí)的氧箱和燃箱筒段上，貯箱捆綁點(diǎn)局部需要加強(qiáng)；

5)由于芯一級(jí)加長(zhǎng)，工作時(shí)間較長(zhǎng)，無(wú)法實(shí)現(xiàn)助推器與芯級(jí)不分離，在西昌發(fā)射，4助推器落區(qū)可選擇在CZ-3A系列火箭的芯一級(jí)落區(qū)，后續(xù)通過(guò)可控翼傘等進(jìn)一步縮小落區(qū)，減少對(duì)落區(qū)造成的影響。

3.5.2 通用芯級(jí)并聯(lián)狀態(tài)

采用3.35m通用芯級(jí)，芯一級(jí)直徑3.35m，安裝兩臺(tái)YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)，總加注量180t級(jí)，總長(zhǎng)接近32m；芯二級(jí)直徑3.35m，采用單臺(tái)YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)；捆綁2枚3.35m通用芯一級(jí)，可采用4.2m或5.2m整流罩。與基礎(chǔ)構(gòu)型相比，主要狀態(tài)變化如圖7所示。

圖7 兩級(jí)半通用芯級(jí)構(gòu)型與基本構(gòu)型對(duì)比Fig.7 The comparison between a basic type and a common core stage type of a two and half stages launch vehicle

相比基本型，該構(gòu)型的主要特點(diǎn)如下：

1)全箭包含2種狀態(tài)4個(gè)主要模塊，7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，相比基礎(chǔ)構(gòu)型，少了5臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)；

2)兩級(jí)半通用芯級(jí)并聯(lián)構(gòu)型，在西昌發(fā)射GTO軌道的運(yùn)載能力為6.5t；

3)芯一級(jí)總長(zhǎng)接近32m，在內(nèi)陸發(fā)射場(chǎng)的鐵路運(yùn)輸基本可行；

4)為了實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力最優(yōu)，同時(shí)控制飛行過(guò)載，需要對(duì)芯一級(jí)進(jìn)行節(jié)流，助推器耗盡后先分離，芯一級(jí)再推力調(diào)節(jié)到正常工況，繼續(xù)工作；

5)無(wú)法實(shí)現(xiàn)助推器與芯級(jí)不分離，在西昌發(fā)射，2助推器落區(qū)可選擇在CZ-3A系列火箭的芯一級(jí)落區(qū)，后續(xù)通過(guò)可控翼傘等進(jìn)一步縮小落區(qū)，減少對(duì)落區(qū)造成的影響；

6)該構(gòu)型運(yùn)載能力偏低，需采用新型材料提高運(yùn)載能力，且構(gòu)型相對(duì)單一，難以實(shí)現(xiàn)運(yùn)載能力梯度覆蓋。

3.6 小結(jié)

通過(guò)對(duì)氫氧末級(jí)、基礎(chǔ)級(jí)的主動(dòng)力的改進(jìn)和優(yōu)化分析，末級(jí)采用3.35m安裝單臺(tái)YF-75D及基礎(chǔ)級(jí)采用YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)，對(duì)各構(gòu)型的運(yùn)載能力、可靠性、成本等方面均具有一定的優(yōu)勢(shì)，因此不管后續(xù)采用哪個(gè)構(gòu)型，這兩個(gè)改進(jìn)和優(yōu)化的方向都是確定的。

針對(duì)三級(jí)半和兩級(jí)半等不同構(gòu)型的特點(diǎn)對(duì)比分析如表2所示，通過(guò)分析可知：

1)目前的三級(jí)半基礎(chǔ)構(gòu)型二級(jí)推力偏小，二級(jí)換用單臺(tái)YF-100M發(fā)動(dòng)機(jī)構(gòu)型可顯著提升GTO運(yùn)載能力；

2)三級(jí)半構(gòu)型的運(yùn)載能力要大于兩級(jí)半構(gòu)型，采用兩枚2.25m助推器和4枚2.25m助推器狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)5.5t～8.2t的能力梯度；

3)兩級(jí)半通用芯級(jí)并聯(lián)構(gòu)型，當(dāng)前運(yùn)載能力為6.5t，后續(xù)需要采用新材料進(jìn)一步提升結(jié)構(gòu)效率才能滿足GTO不低于7.0t的要求。

表2 兩級(jí)半和三級(jí)半構(gòu)型對(duì)比分析表

4 結(jié)論

本文在對(duì)國(guó)外運(yùn)載火箭發(fā)展現(xiàn)狀及趨勢(shì)分析的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)高軌衛(wèi)星的發(fā)射需求，開(kāi)展了我國(guó)新一代中型高軌運(yùn)載火箭的構(gòu)型優(yōu)化分析，確定了氫氧末級(jí)和基礎(chǔ)級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)的狀態(tài)，針對(duì)兩級(jí)半和三級(jí)半兩種構(gòu)型開(kāi)展構(gòu)型優(yōu)化分析和論證，初步分析結(jié)論如下：

1)保持目前三級(jí)半構(gòu)型不變，將一級(jí)和助推器動(dòng)力換用YF-100K，助推器不分離，二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)換用YF-100M，三級(jí)動(dòng)力換用YF-75D，三級(jí)直徑換用3.35m，并采用5.2m整流罩，在西昌發(fā)射，四助推狀態(tài)GTO運(yùn)載能力不低于8.2t，兩助推狀態(tài)運(yùn)載能力不低于5.5t，可覆蓋絕大部分GTO軌道衛(wèi)星的發(fā)射需求，其經(jīng)濟(jì)性優(yōu)于目前的基礎(chǔ)構(gòu)型；

2)從模塊種類和模塊數(shù)量最少、組織生產(chǎn)和成本優(yōu)化角度出發(fā)，后續(xù)高軌構(gòu)型也可選擇兩級(jí)半通用芯級(jí)并聯(lián)構(gòu)型，在西昌發(fā)射，GTO運(yùn)載能力不低于6.5t，后續(xù)通過(guò)子級(jí)結(jié)構(gòu)效率的提升，可進(jìn)一步提高運(yùn)載能力，滿足GTO軌道運(yùn)載能力不低于7.0t的要求。