新一代載人登月運(yùn)載火箭總體方案和關(guān)鍵技術(shù)

張 智，徐洪平，鄧新宇，何兆偉

(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)

1 引言

載人月球探測(cè)是航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，也是載人航天工程發(fā)展的長(zhǎng)遠(yuǎn)戰(zhàn)略。美國(guó)已制定了2024年重返月球計(jì)劃，俄羅斯計(jì)劃于2028年發(fā)射重型火箭，世界航天領(lǐng)域掀起了新一輪載人月球探測(cè)熱潮。

中國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征六號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)以及長(zhǎng)征八號(hào)已經(jīng)研制完成，并逐漸成為發(fā)射市場(chǎng)的主力火箭。常規(guī)推進(jìn)劑運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代勢(shì)在必行，載人運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代也已提上議程。

未來(lái)的載人航天將從探索型向應(yīng)用型轉(zhuǎn)化，按照立足成熟技術(shù)、確保安全可靠，能力上臺(tái)階、技術(shù)上水平的發(fā)展思路，在充分繼承新一代運(yùn)載火箭和常規(guī)推進(jìn)劑載人運(yùn)載火箭研制成果和成熟技術(shù)的基礎(chǔ)上，通過(guò)方法和技術(shù)創(chuàng)新，開(kāi)展新一代載人登月運(yùn)載火箭方案論證與設(shè)計(jì)。

2 需求分析

2.1 載人月球探測(cè)的任務(wù)急需

載人登月一直是數(shù)千年來(lái)中國(guó)人追逐渴求的美好夢(mèng)想，也是世界大國(guó)科技水平和國(guó)家實(shí)力的綜合體現(xiàn)。月球距離地球約38萬(wàn)公里，實(shí)現(xiàn)載人飛行并登陸月球需要進(jìn)入奔月軌道的全部載荷達(dá)到50～100噸級(jí)，中國(guó)目前最大的運(yùn)載火箭受起飛規(guī)模、動(dòng)力系統(tǒng)性能、結(jié)構(gòu)效率等制約，奔月軌道運(yùn)載能力僅為8.2 t，需要的發(fā)射次數(shù)過(guò)多，任務(wù)適應(yīng)能力不足，且不具備載人飛行能力，無(wú)法滿足載人登月的任務(wù)需求。研制運(yùn)載能力更大，滿足載人飛行標(biāo)準(zhǔn)的新一代載人登月運(yùn)載火箭，填補(bǔ)載人登月的能力空白，是當(dāng)務(wù)之急。

2.2 航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的關(guān)鍵支撐

航天技術(shù)是決定中國(guó)國(guó)際地位和世界影響力的戰(zhàn)略制高點(diǎn)?；鸺哪芰τ卸啻螅教斓奈枧_(tái)就有多大，運(yùn)載火箭技術(shù)水平是航天強(qiáng)國(guó)的重要標(biāo)志，運(yùn)載能力是衡量航天強(qiáng)國(guó)的指標(biāo)之一。航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的國(guó)家戰(zhàn)略賦予了航天人新的歷史使命。深化載人登月方案論證，組織開(kāi)展關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)，夯實(shí)載人探索開(kāi)發(fā)地月空間基礎(chǔ)，快速提升我國(guó)進(jìn)出、利用和控制空間的能力，大力拓展我國(guó)太空活動(dòng)的領(lǐng)域，是實(shí)現(xiàn)航天強(qiáng)軍、航天強(qiáng)國(guó)偉大夢(mèng)想的關(guān)鍵支撐。

2.3 運(yùn)載火箭發(fā)展的必然使命

根據(jù)世界運(yùn)載火箭技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)，未來(lái)發(fā)展焦點(diǎn)將從滿足當(dāng)前任務(wù)急需轉(zhuǎn)化為形成長(zhǎng)遠(yuǎn)競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)，發(fā)展模式將從能力的迫切提高升級(jí)為效率的極致追求。與美國(guó)、俄羅斯等世界航天強(qiáng)國(guó)相比，中國(guó)運(yùn)載火箭技術(shù)在運(yùn)載效率、結(jié)構(gòu)效率、智能飛行、自動(dòng)測(cè)發(fā)等方面仍有較大差距。開(kāi)展新一代載人登月運(yùn)載火箭研制，在繼承中國(guó)現(xiàn)有新一代運(yùn)載火箭和常規(guī)推進(jìn)劑載人運(yùn)載火箭研制經(jīng)驗(yàn)基礎(chǔ)上，針對(duì)當(dāng)前運(yùn)載火箭設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、試驗(yàn)、測(cè)發(fā)中的深層次難題開(kāi)展攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)中國(guó)運(yùn)載火箭由能力型向效率型、規(guī)模型向技術(shù)型的重大跨越，使各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)全面達(dá)到世界先進(jìn)水平。

2.4 國(guó)家創(chuàng)新戰(zhàn)略的有力助推

創(chuàng)新是一個(gè)國(guó)家發(fā)展的靈魂，根據(jù)世界技術(shù)發(fā)展趨勢(shì)和競(jìng)爭(zhēng)態(tài)勢(shì)，黨和國(guó)家高瞻遠(yuǎn)矚，提出了中國(guó)制造2025、人工智能等國(guó)家重大戰(zhàn)略。新一代載人登月運(yùn)載火箭瞄準(zhǔn)世界一流水平，全面深化創(chuàng)新，將應(yīng)用大直徑低溫共底貯箱、大推力泵后擺發(fā)動(dòng)機(jī)、智能飛行、一體化電氣系統(tǒng)等一大批創(chuàng)新技術(shù)，極大地帶動(dòng)大型高端精密裝備制造、新材料、新工藝、國(guó)產(chǎn)化元器件等國(guó)家基礎(chǔ)工業(yè)發(fā)展，助力中國(guó)整體工業(yè)體系的升級(jí)換代。

3 總體方案

新一代載人登月運(yùn)載火箭采用三級(jí)半構(gòu)型，總長(zhǎng)約為90 m，捆綁2個(gè)與芯一級(jí)基本相同的助推器，起飛重量約為2200 t，構(gòu)型示意見(jiàn)圖1。該火箭由箭體結(jié)構(gòu)系統(tǒng)、電氣系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)、增壓輸送系統(tǒng)、地面測(cè)發(fā)控系統(tǒng)和發(fā)射支持系統(tǒng)組成，主要方案如下:

圖1 新一代載人登月運(yùn)載火箭構(gòu)型示意圖Fig.1 The sketch of new generation lunar manned launch vehicle

1)芯一級(jí)采用5 m直徑，安裝7臺(tái)地面推力125 t級(jí)的YF-100K/L液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，其中3臺(tái)YF-100K發(fā)動(dòng)機(jī)雙向搖擺；

2)助推器捆綁2個(gè)通用芯級(jí)模塊，安裝于II、IV象限；

3)芯二級(jí)采用5 m直徑，安裝2臺(tái)真空推力146 t級(jí)的YF-100M液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)雙向搖擺；

4)芯三級(jí)采用5 m直徑，安裝3臺(tái)真空推力9 t級(jí)的YF-75E氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)雙向搖擺；

5)三級(jí)采用輔助動(dòng)力完成滑行段姿態(tài)控制、推進(jìn)劑管理和有效載荷分離前末修、調(diào)姿；

6)助推器、芯一級(jí)、芯二級(jí)和芯三級(jí)均采用共底貯箱，一二級(jí)分離采用二次分離方式；

7)液氧貯箱采用自生增壓；

8)電氣系統(tǒng)采用一體化設(shè)計(jì)，高速實(shí)時(shí)以太網(wǎng)總線，全程天基測(cè)控；

9)采用新三垂測(cè)發(fā)模式，簡(jiǎn)化發(fā)射場(chǎng)和發(fā)射區(qū)工作項(xiàng)目和設(shè)施。

新一代載人登月運(yùn)載火箭奔月軌道運(yùn)載能力27 t，運(yùn)載效率為1.23%，達(dá)到世界先進(jìn)水平。

4 關(guān)鍵技術(shù)

新一代載人登月運(yùn)載火箭的研制充分吸收新一代火箭和常規(guī)推進(jìn)劑載人運(yùn)載火箭的研制經(jīng)驗(yàn)和成果，充分借鑒國(guó)際主流運(yùn)載火箭的先進(jìn)經(jīng)驗(yàn)，全面對(duì)標(biāo)世界一流技術(shù)水平，創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法和系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，通過(guò)綜合優(yōu)化實(shí)現(xiàn)運(yùn)載效率大幅提高，性能、可靠性和安全性達(dá)到國(guó)際先進(jìn)水平，突破以13項(xiàng)重大關(guān)鍵技術(shù)為代表的120項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，提升中國(guó)運(yùn)載火箭的研制技術(shù)水平和能力。

4.1 器箭一體化技術(shù)

器箭一體化技術(shù)是針對(duì)飛行器在上升段的工作環(huán)境和載荷條件，通過(guò)運(yùn)載火箭與飛行器聯(lián)合建模，對(duì)上升段飛行器內(nèi)部響應(yīng)分布進(jìn)行精細(xì)分析，并且形成基于一體化設(shè)計(jì)的仿真和試驗(yàn)方法，實(shí)現(xiàn)飛行器設(shè)計(jì)條件的優(yōu)化，提升任務(wù)效益，與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的差異對(duì)比見(jiàn)表1。

表1 器箭一體化設(shè)計(jì)與傳統(tǒng)設(shè)計(jì)差異Table 1 Differences between integration design and traditional design

4.2 電氣一體化技術(shù)

電氣一體化技術(shù)通過(guò)一體化的綜合電子架構(gòu)設(shè)計(jì)(圖2)，將原有分布式的相關(guān)設(shè)備進(jìn)行適度集成，一體化架構(gòu)、一體化通信、一體化能源，通過(guò)全箭電氣系統(tǒng)軟硬件資源共享，實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)功能性能優(yōu)化及設(shè)備的模塊化和小型化。

圖2 電氣系統(tǒng)架構(gòu)圖[3]Fig.2 The sketch of avionics system architecture[3]

4.3 新型數(shù)字化技術(shù)

新型數(shù)字化技術(shù)是在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)技術(shù)基礎(chǔ)上，按照基于模型的系統(tǒng)工程思想、方法、工具和手段，規(guī)范數(shù)字化設(shè)計(jì)工作、提升數(shù)字化協(xié)同設(shè)計(jì)水平，形成高效協(xié)同研制模式，提升系統(tǒng)仿真水平?；谀Ｐ偷漠a(chǎn)品研制全壽命周期活動(dòng)示例見(jiàn)圖3，在傳統(tǒng)V字形研制流程的基礎(chǔ)上，將設(shè)計(jì)結(jié)果由模型承載和傳遞，在設(shè)計(jì)階段便開(kāi)展大量的綜合集成驗(yàn)證，縮短閉合迭代周期、增強(qiáng)總體優(yōu)化能力。

圖3 基于模型的產(chǎn)品研制全壽命周期活動(dòng)圖示例[4]Fig.3 The sketch of model-based full life cycle activity in product development[4]

4.4 高性能結(jié)構(gòu)材料應(yīng)用技術(shù)

通過(guò)研究高性能鋁合金、碳纖維復(fù)合材料和緊固件高性能材料等工程應(yīng)用技術(shù)，提升箭體結(jié)構(gòu)的性能和工藝穩(wěn)定性，實(shí)現(xiàn)運(yùn)載火箭結(jié)構(gòu)效率和運(yùn)載能力的提升。

4.5 故障診斷與處置技術(shù)

故障診斷與處置技術(shù)負(fù)責(zé)完成待發(fā)段及飛行階段的全箭數(shù)據(jù)綜合、故障診斷，協(xié)同控制模塊完成系統(tǒng)重構(gòu)功能，同時(shí)在火箭發(fā)生威脅航天員安全的故障時(shí)發(fā)出逃逸指令。為提升該技術(shù)實(shí)現(xiàn)的可靠性與有效性，采用先進(jìn)感知技術(shù)與診斷算法。箭上重點(diǎn)負(fù)責(zé)飛行階段可預(yù)知的重構(gòu)類(lèi)故障診斷以及需要執(zhí)行逃逸的速變類(lèi)故障診斷，地面重點(diǎn)負(fù)責(zé)待發(fā)段故障以及飛行段緩變故障的檢測(cè)，能夠充分利用地面運(yùn)算資源強(qiáng)大的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)箭上和地面協(xié)調(diào)配合。故障診斷與處置流程見(jiàn)圖4。

圖4 故障診斷與處置流程[5]Fig.4 The flowchart of fault diagnosis and disposal[5]

4.6 自主飛行控制重構(gòu)技術(shù)

自主飛行控制重構(gòu)技術(shù)是提高載人火箭系統(tǒng)可靠性和安全性的重要基礎(chǔ)，是國(guó)外運(yùn)載火箭廣泛采用的先進(jìn)技術(shù)。通過(guò)自主飛行重構(gòu)技術(shù)具備故障模式下的任務(wù)適應(yīng)能力，能夠進(jìn)行在線自主決策與快速規(guī)劃、充分利用火箭的剩余能力，轉(zhuǎn)入任務(wù)降級(jí)、應(yīng)急救援、可控返回等備用任務(wù)，以保證有效載荷及人員的安全，提高任務(wù)的成功率。

4.7 高性能液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

YF-100K/L、YF-100 M液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力面密度(單位面積安裝的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量)、推質(zhì)比(產(chǎn)生單位推力的發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)重量)、真空比沖相比YF-100有較大提升，由于發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)參數(shù)耦合性強(qiáng)、力熱參數(shù)變化劇烈，改進(jìn)后的發(fā)動(dòng)機(jī)需要針對(duì)薄弱環(huán)節(jié)進(jìn)一步改進(jìn)，提升固有可靠性。同時(shí)，YF-100 M發(fā)動(dòng)機(jī)采用的鈦合金大噴管的制造技術(shù)也是實(shí)現(xiàn)發(fā)動(dòng)機(jī)高性能的關(guān)鍵技術(shù)。

4.8 高性能氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)

在現(xiàn)有面積比80噴管的設(shè)計(jì)生產(chǎn)工藝上，再增加一段單壁金屬段，將發(fā)動(dòng)機(jī)噴管面積比提高到175，從而將發(fā)動(dòng)機(jī)比沖性能由442 s提高到452 s。同時(shí)根據(jù)火箭時(shí)序，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間較現(xiàn)有狀態(tài)增加一倍，針對(duì)長(zhǎng)壽命工作任務(wù)特點(diǎn)開(kāi)展可靠性提升，確保載人飛行的高安全和高可靠。應(yīng)用火炬點(diǎn)火技術(shù)提升發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火可靠性和發(fā)動(dòng)機(jī)的使用性。

4.9 高能煤油技術(shù)

高能煤油是以工業(yè)化工原料為基礎(chǔ)，通過(guò)脫水縮合反應(yīng)、分子內(nèi)成環(huán)反應(yīng)、脫氮反應(yīng)和產(chǎn)品精餾提純等工藝得到的一種高能合成碳?xì)淙剂稀Ｅc現(xiàn)役火箭煤油相比，高能煤油具有密度大、比沖高等優(yōu)點(diǎn)，在發(fā)動(dòng)機(jī)結(jié)構(gòu)不需要進(jìn)行大的改動(dòng)的條件下，可直接應(yīng)用于液氧煤油液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。開(kāi)展高能煤油關(guān)鍵技術(shù)研究，突破宏量制備、高效精制、相容性提升等關(guān)鍵技術(shù)，完成高能煤油大流速流動(dòng)傳熱、結(jié)焦性能、安全特性、熱物性等研究，確定百?lài)嵓?jí)制備方案。

4.10 多機(jī)并聯(lián)復(fù)雜環(huán)境預(yù)示與控制技術(shù)

新一代載人登月運(yùn)載火箭起飛時(shí)21臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)工作，多機(jī)并聯(lián)工作時(shí)各發(fā)動(dòng)機(jī)燃?xì)鈬娏鳌⒄駝?dòng)、沖擊、壓力脈動(dòng)等作用相互耦合，力、熱等環(huán)境十分復(fù)雜。尤其是單位面積內(nèi)發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量更多、布局更緊湊、耦合更嚴(yán)重，環(huán)境預(yù)示和控制難度較現(xiàn)役火箭更大。多機(jī)并聯(lián)火箭精確環(huán)境預(yù)示及控制技術(shù)結(jié)合各級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)布局特點(diǎn)開(kāi)展力、熱等環(huán)境分析，實(shí)現(xiàn)復(fù)雜環(huán)境的高精度預(yù)示，并針對(duì)環(huán)境適應(yīng)性薄弱環(huán)節(jié)采取改進(jìn)措施。同時(shí)針對(duì)一級(jí)動(dòng)力系統(tǒng)需要的大能量蓄壓器需求，采用新型注氣式蓄壓器解決傳統(tǒng)膜盒式蓄壓器能量值偏小的不足，通過(guò)注氣、排氣/液流量的優(yōu)化設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)全飛行剖面內(nèi)的POGO穩(wěn)定和壓力脈動(dòng)有效抑制。

4.11 大承載輕質(zhì)化結(jié)構(gòu)與分離機(jī)構(gòu)技術(shù)

箭體結(jié)構(gòu)輕質(zhì)化是運(yùn)載火箭控制自身重量、提升運(yùn)載效率的重要途徑。新一代載人登月運(yùn)載火箭由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力大、載荷量級(jí)高、傳力形式復(fù)雜，通過(guò)尾艙傳力一體化結(jié)構(gòu)、大承載錐底貯箱、大直徑低溫共底、縱向高加筋箱筒段、整體機(jī)銑高筋壁板組合艙段等新型承載結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制造技術(shù)，從設(shè)計(jì)方法、材料體系和結(jié)構(gòu)形式等方面開(kāi)展全方位挖潛，以顯著降低全箭結(jié)構(gòu)質(zhì)量，支撐新一代載人火箭高運(yùn)載效率的指標(biāo)要求。5 m直徑低溫共底貯箱樣件見(jiàn)圖5。

圖5 5米直徑低溫共底貯箱Fig.5 Five meter diameter cryogenic coplanar tank

另外，分離是運(yùn)載火箭至關(guān)重要的動(dòng)作，關(guān)系到飛行任務(wù)的成敗和航天員的生命安全。新一代載人登月運(yùn)載火箭通過(guò)突破線式分離、剛性包帶等關(guān)鍵技術(shù)，確保在火箭載荷復(fù)雜且量級(jí)大的情況下，高可靠、高安全、低沖擊的完成分離動(dòng)作。

4.12 高性能增壓輸送系統(tǒng)技術(shù)

突破復(fù)雜流場(chǎng)設(shè)計(jì)、自生增壓流量調(diào)節(jié)與控制、大口徑低溫密封技術(shù)、大口徑管路補(bǔ)償技術(shù)及電控閥門(mén)設(shè)計(jì)制造等關(guān)鍵技術(shù)，實(shí)現(xiàn)以推進(jìn)劑高效利用、大口徑低溫密封及補(bǔ)償、輕質(zhì)高強(qiáng)管路設(shè)計(jì)以及電控閥門(mén)設(shè)計(jì)等為代表的技術(shù)水平的跨越。

4.13 快速測(cè)試發(fā)射技術(shù)

新一代載人登月運(yùn)載火箭系統(tǒng)復(fù)雜、箭上和地面產(chǎn)品數(shù)量多，測(cè)試流程和項(xiàng)目繁雜，并且采用液氫推進(jìn)劑，為確保測(cè)試操作的安全性和提高測(cè)發(fā)效率，開(kāi)展大口徑零秒氣液組合連接器、智能化供配氣、具有牽制功能的后倒支撐臂(圖6)、大流量噴水降溫降噪、活動(dòng)發(fā)射平臺(tái)熱防護(hù)、運(yùn)載火箭火工品自動(dòng)短路保護(hù)及解保、運(yùn)載火箭火工品電磁閥及自動(dòng)測(cè)試技術(shù)攻關(guān)，實(shí)現(xiàn)加注后全箭各系統(tǒng)無(wú)人值守。

圖6 具有牽制功能的后倒支撐臂示意圖Fig.6 The sketch of rear inverted support arm with hold-down function

5 結(jié)束語(yǔ)

新一代載人登月運(yùn)載火箭是根據(jù)中國(guó)載人航天工程長(zhǎng)遠(yuǎn)發(fā)展規(guī)劃，為發(fā)射中國(guó)新一代載人飛船而全新研制的高可靠、高安全載人火箭，將中國(guó)奔月軌道運(yùn)載能力由8.2 t提升至27 t，填補(bǔ)中國(guó)載人登月的能力空白，推進(jìn)中國(guó)載人運(yùn)載火箭升級(jí)換代，具有安全可靠、性能先進(jìn)、流程創(chuàng)新、擴(kuò)展靈活等特點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)中國(guó)2030年前載人登陸月球和航天強(qiáng)國(guó)建設(shè)的重要戰(zhàn)略支撐。