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人类的生存环境,在迈过了陆地、海洋、天空之后,已进入了第四环境,即外层空间。随着航天科技的发展,发射卫星、载人航天、深空探测这人类登天三部曲已清晰地展露在世人面前。然而,仔细审视这三部曲,哪一步都离不开一个基础——进入空间的航天运载器。航天运载器在本质上属于广义的交通运输工具,就像在天路上迅驰的汽车,它的重要性首先在于它从根本上拓展了人类活动的空间。如果说空间是一个大舞台的话,那么运载火箭的能力有多大,人类在空间舞台的表演范围就有多大。正基于此,世界各航天大国均把夺取空间优势作为航天领域的首要任务,而大力发展先进的特大运载技术已被确立为保持领先水平、提升大国地位的重要战略部署之一。这些国家在已有众多大型运载火箭的情况下,仍然继续加大对运载火箭技术的投入,加快新型运载火箭的研制,其大型运载火箭技术的发展速度超乎寻常,形势咄咄逼人。
今年3月16日,一个将对中国航天发展产生深远影响的会议——中国新一代基本型运载火箭方案论证报告评审会在北京召开。中国新一代运载火箭已经在“孕育”之中。中国的航天运载火箭目前在世界上处于一个什么样的形势?为什么中国也要搞新一代运载火箭?新一代运载火箭会是啥模样?记者近日就这一系列问题采访了参与方案论证的我国火箭专家、中国工程院院士、中国运载火箭技术研究院运载火箭系列总设计师龙乐豪。
问:中国的长征系列运载火箭目前在世界上处于一个什么样的态势?
答:中国的长征火箭面临着十分严峻的局面。虽然能基本满足高、中、低轨道不同航天器发射的需要,但没有能力发射我国未来的空间站和大吨位卫星,更不利于参与今后国际商业发射的角逐。
问:中国为什么也要搞新一代运载火箭?究竟新在哪里?
答:面对如此严峻的形势,我们认为,我国运载火箭继续在现有3.35米直径基础上研制新型运载火箭,低轨道运载能力超不过14吨,其高轨道运载能力超不过7吨,在运载能力上没有更大的发展余地,也不符合当今运载火箭技术发展的趋势。因此,迫切需要研制新一代大推力运载火箭,在运载技术上进行创新和突破,为国家争得更多的自主进入空间的能力。
问:新一代运载火箭是个啥模样?
答:我认为可以用“一低两高三先进”来概括“孕育”中的新一代火箭的特点。
所谓“一低”,就是低成本。
新一代运载火箭遵循“一个系列、两种发动机、三个模块”的总体发展思路,全面贯彻“三化”即“系列化、组合化、通用化”设计思想。三个模块是指直径分别为5米、3.35米、2.25米的火箭模块,两种发动机是指氢氧发动机和液氧/煤油发动机,一个系列是指用三个模块形成新一代运载火箭的基本型,再以基本型为基础,通过助推器和上面级的不同组合,形成新一代运载火箭系列化型谱。
实行“三化”设计,可大大节约研制成本,缩短生产周期,有利于火箭的批量生产,可以最大限度地满足未来繁重的发射任务的需要。同时,新一代运载火箭将采用新的材料,使用新的生产工艺,这些材料和工艺与传统材料和工艺比,成本将大幅降低。从设计上看,新一代运载火箭不只追求先进性,而更加注重可靠性。例如,新一代火箭采用非共底结构贮箱,与传统的共底贮箱相比,简化了制造工艺,提高了安全性,也降低了成本。又如现在火箭的控制、遥测、外测等系统各用各的电源,而新一代火箭的电气系统实行一体化设计,统一箭上的供配电。新一代火箭的运载能力比较大,可以实现一箭多星的发射,也可以大大降低单星的发射成本。新一代运载火箭将采用新的测试流程,缩短发射准备时间。现在的火箭发射队伍大的多达300多人,准备时间有的长达50多天,而发射队在发射场每天消耗的费用都相当可观。采用新的测试流程后,发射准备时间将大大缩短,参与发射的人员将大大减少,节省的费用也将相当可观。此外,新一代运载火箭研制将采用新的管理模式,通过实施“成本工程”,改变过去那种以科研生产为中心的管理模式,打造出全新的以成本和利润为中心的管理模式。
所谓“两高”,就是高可靠性和高安全性。
新一代运载火箭的高可靠性体现在四个方面。一是火箭总体构型低轨道采用一级半,即一级芯级火箭加上助推器;高轨道采用二级半,即二级芯级火箭加上助推器,比现在的长征火箭减少了一级。火箭级数越少,可靠性越高。二是在设计上采用全系统冗余设计,火箭即使出现单点故障,也不会对全箭安全造成严重影响。三是火箭点火发射采用牵制释放装置,点火后由故障诊断系统对发动机及箭上电系统工作情况进行诊断,只有火箭各系统工作正常,牵制释放装置才按指令工作,将火箭释放起飞。采用牵制释放装置可大大提高发射可靠性,即使发射终止也能将损失减小到最低程度。四是火箭可靠性设计指标大大提高,达到0.98,而现在的长征系列不载人火箭可靠性设计指标为0.93。
高安全性也体现在四个方面。一是新一代火箭的氢氧发动机和液氧/煤油发动机采用的是无毒、无污染的推进剂,有利于环境保护。二是采用沿海发射场。由于我国现有的三个发射场都位于内陆地区,火箭发射航区和落区的范围大,很难选择在无人的区域,即使经过努力,也很难完全避免落区人员和财产损失。选择沿海发射场将彻底解决这一问题。三是采用远距离、自动化发射体系,发射指挥控制中心离发射台1.5千米以上,万一发射失败可避免造成人员伤亡。四是发射前火箭推进剂采用循环预冷,这样既简化了发射程序,也提高了安全性。
所谓“三先进”,就是运载能力大、适应性强、技术领先。
按照设计方案,未来的新一代运载火箭近地轨道最大运载能力为25吨,地球同步转移轨道最大运载能力为14吨,接近国际主流火箭的水平。新一代火箭可实现多轨道、多星发射,既可发射近地轨道、太阳同步轨道卫星,也可发射地球同步轨道卫星,而且可以实现一箭发射多颗不同轨道卫星,体现了较强的适应性。衡量运载火箭技术性能的最常用参数是火箭的运载系数,即运载能力与起飞质量之比。按照设计方案,新一代运载火箭基本型的运载系数为1.77%,仅次于日本的H-2A火箭的1.79%,体现了技术上的先进性。
问:中国新一代运载火箭的名字现在已经有了吗?
答:虽然新一代运载的火箭的名字目前还没有确定,我个人对“长征”这个响亮的名字情有独钟。虽然未来的新一代火箭与长征系列火箭有质的不通,但我仍主张新一代运载火箭继续沿用“长征”这个名字,例如用“长征五号”之类。因为长征火箭作为一个品牌,已经成了中国火箭的代名词,并已深入人心,没有必要另起炉灶。
最后,龙乐豪院士充满激情地说,无论从哪个方面讲,新一代运载火箭的研制都势在必行。中国是一个大国,中国人早晚有一天会向月球、火星进军,而新一代运载火箭是中国人征服太空必不可少的一个阶梯,也是最重要的空间基础设施之一。