中国的太空雄心:百吨级重型运载火箭呼之欲出

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北京时间3月1日中国央视新闻客户端报道,中国工程院院士、国家航天局原局长栾恩杰在接受媒体采访时表示,未来中国将研制100吨级的重型运载火箭,以满足走向更深远太空的需求。

航天是冒险探索精神和高科技的结合,它需要的不仅是探索未知空间的勇气,还需要一个国家具备很高的科技水平和经济实力。

世界各国的超级火箭:苏联能源火箭、美国SpaceX猎鹰重型火箭、俄罗斯叶尼塞火箭、中国长征九号、美国空间发射系统1、苏联N1火箭、美国土星五号、美国空间发射系统2、美国SpaceX星舰(从左至右)。(维基百科公有领域)

在新冠肺炎(COVID-19)疫情肆虐全球的2020年,中国载人航天、北斗、探月、探火等航天重大工程和专项仍持续推进,研制发射的航天器覆盖载人航天、空间探测、导航、通信、遥感、空间科学、技术试验等全部技术领域,航天技术与应用能力大幅提升。

但实际上,中国航天人在这之前所经受过的煎熬也是外界所无法想像的。

一波数折的长征五号

如果说中国现役的长征二号、长征三号和长征四号系列都有一个共同的源头——东风五号洲际导弹,那长征五号则无疑是中国新一代运载火箭的源头。在长征五号之前,中国运载能力最强的火箭——长征七号仅能将约14吨载荷送入近地轨道,远逊于西方大推力火箭。

长征五号系列为中国首个从总体到分系统均采用最新技术的大型液体运载火箭系列,是中国目前研制规模和技术跨度最大的航天运输系统工程,新技术比例达95%;其到达近地轨道的最大有效载荷能力为25吨,到达同步转移轨道的最大有效载荷能力为14吨,是中国现役起飞质量最大、芯级直径最粗、运载能力最强的火箭。

在863计划支持下,中国的长征五号项目于1986年开展了前期论证和攻关,正所谓“十年磨一箭”,长征五号于2016年11月在海南文昌航天发射场首次发射升空,但在过程中出现了二级发动机提前关机的故障,此后虽然通过延长上面级发动机的燃烧时间,仍成功将"实践十七号"卫星送入地球同步静止轨道,但有声音指出这种补救措施会缩短卫星的使用寿命。

2017年7月2日,长征五号遥二运载火箭在发射后飞行至346秒时突发故障,星箭坠海。分析试验结果将问题定位在火箭芯一级的一台YF-77发动机上,指出系液氢液氧发动机一分机涡轮排气装置在复杂力热环境下局部结构发生异常,进而导致发动机推力瞬时大幅下降并使发射任务失败。长征五号的第二次发射,也是中国航天首次在运载火箭的一级上采用液氧液氢发动机,而以失败告终,对中国航天人而言可谓是一项重大打击。

从公开报道来看,2017年10月2日,YF-77发动机故障定位完成;2018年4月改进完毕;2018年10月30日,在长征五号遥三火箭即将出厂前,同批次YF-77试车被发现再次出现故障。

经过改进,连续两次试车成功,长五遥三火箭被推迟到2019年年中发射。但在当年4月4日对火箭的发动机测试中,发现YF-77发动机的氧涡轮泵出现细小裂纹。在采用新技术手段对以往通过试车考核的发动机进行检测后,发现在同一位置,多台YF-77发动机都出现了微小裂纹。

其后,被寄予厚望的中国长征五号运载火箭、YF-77发动机陷入前所未有的风口浪尖:有提出长征五号项目立即下马的;有要求扶正与美国SpaceX公司重型猎鹰火箭类似的某预研型号的;更有甚者,有声音直指解散中国“官办”航天队伍,全面转向私营航天。

另一方面,由于大推力运载火箭工程的延期,中国的空间站、探月计划也不得不随之一再推迟。受其影响,中国的“嫦娥五号”、“中国空间站核心舱”的发射日期延至2020年、2021年。对于中国的首次火星探测计划来说,更是深重打击,因为火星探测期的发射有窗口期,一旦错过2020年的窗口期就必须再等26个月。

在海内外各色目光的关注下,在经历了908天的等待后,中国的长征五号遥三运载火箭在2019年12月27日在海南文昌航天发射场点火升空,在2,000多秒后将其携带的“实践二十号”卫星准确送入预定轨道。

那一夜的文昌航天基地,无数中国航天人击掌相庆。

中国需要更大大推力的运载火箭

凡是过往,皆为序章。对于中国航天人来说,长征五号遥三运载火箭是一个期盼已久的成功,但同时,它更是一个开始,其在总推力上虽然取得了突破,但技术本身并不先进,有业内人士指出其至多达到美、俄、欧十年前的水平,而且,长征五号使用的氢氧发动机,其性能也尚与美、俄、欧差距明显。

2020年全球共实施了114次发射任务,追平1991年以来的发射次数纪录,发射航天器共计1,277个,创历史新高;中国在这一年完成39次航天发射,发射89个航天器,发射航天器总质量再创新高,达到103.06吨,较上一年度增长29.3%。

而就在去年全球七大激动人心的太空任务中,由中国进行的就有两项:2020年7月23日,中国成功将其首次火星探测任务“天问一号”探测器送入预定轨道,迈出了中国行星探测第一步,彼次发射任务也成为中国航天走向深空的重要里程碑;于2020年底发射的嫦娥五号,则是中国迄今为止最为大胆、最具挑战的月球探测任务。

中国的探月工程分为“探”、“登”、“驻”三大步,随着嫦娥五号在2020年12月成功完成月表采样返回任务,也标志着中国探月工程第一大步三期任务的完成。后续中国还将发射嫦娥六号、嫦娥七号等多个探测器继续对月球进行更为深入的探索。

而为了满足未来中国深空探测以及探月工程的需求,中国火箭的能力必须要更为强大。

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作为人类有史以来投入使用的最强运载火箭,美国的土星五号170公里近地轨道运载能力高达140吨,回看过去,要是没有土星五号的发射,就不可能有被世人称道的“阿波罗登月”。中国的下一阶段探月工程、载人航天工程,雄心勃勃的火星探测计划,以及旨在取代神舟系列的新一代载人飞船、太空望远镜等诸多太空项目,都在等待着有足够大推力的运载火箭的发射配合。

曾是中国探月工程首任总指挥的栾恩杰表示,中国100吨级的重型运载火箭的论证阶段基本完成,已进入到立项的后续阶段,争取在十四五期间(2021年—2025年)能够开始重型火箭的研究。

早前已有公开报道显示,中国自行研制的巨型登月火箭完成了深入论证,有望在2030年前首飞,未来它将被命名为长征九号。长征九号主要负责中国载人登月、火星科考取样返回、载人登火、太阳系外圈行星探测等多种大运载高难度任务。有报道称,其芯级箭体直径9.5米级、通过对助推器数量以及芯一级的调整,可以构建近地轨道运载能力50吨至140吨、奔月转移轨道运载能力15吨至50吨、奔火转移轨道运载能力12吨至44吨的系列化型谱。

运载工具的升级,将快速提升中国进入空间的能力,夯实加速中国空间基础设施建设。《中国航天科技活动蓝皮书(2020年)》显示,在2021年,以出品“神舟”系列载人飞船和“长征”系列运载火箭闻名于世的中国航天科技集团全年发射次数有望首次突破40次。

探索外太空是一场具有高度战略意义的竞争,争夺太空话语权已成为各国战略竞争的重要方面。“从人造卫星,到月球和火星,中国在这些领域中正迅速变成太空超级大国”,美国宇航局(NASA)的前高级顾问凯西•劳里尼(Kathy Laurini)公开表示,“他们(中国人)设立战略性,长期性的目标,而且为达到这些目标进行专注的,系统性的努力。”

随着中国百吨级重型运载火箭的呼之欲出,中国的太空雄心已不再掩饰。

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