中國航天之箭:不吹不黑,真實的中國運載火箭國際競爭力

2021-01-11 諸葛侃物

運載火箭是航天運載工具的一種,是將有效載荷按照預定的速度和方向送入航天的火箭。截止2020年末,中國自主研製的火箭系列有長徵系列運載火箭、風暴系列火箭、開拓系列火箭、快舟系列火箭、遠徵系列火箭。幾十年來,我們共進行了387次火箭發射,發射成功率超過92%。作為我們國家主力火箭,長徵系列火箭,共進行了357次發射,在總發射數佔比超過92%。

長徵一號火箭的發展過程

長徵火箭系列,是從1965年開始,由中華人民共和國第七機械工業部第一研究院研製。中國第七機械工業部第一研究院,前身是國防部第五研究院第一分院,由國防部第五研究院院長錢學森兼任第一分院院長。

長徵系列運載火箭時間表

長徵系列運載火箭示意圖

錢學森是我國著名的飛彈專家,素有「中國飛彈之父」「中國火箭之父」.之稱。從這一稱號可以看出,中國的運載火箭事業,是從研製飛彈起步的。中國的第一枚運載火箭,長徵一號火箭,就是在東風三號遠程彈道飛彈的基礎上研製而成的。長徵一號火箭採取三級助推方式,火箭的一、二級採用東風四號遠程彈道飛彈,第三級使用新投入生產的FG-02固體火箭發動機。

長徵一號火箭

長徵一號火箭,於1970年4月24日,成功將我國第一顆人造地球衛星東方紅一號,送入太空。1971年3月3日,長徵一號火箭又將「實踐一號」科學探測試驗衛星成功發射入軌。

長徵一號火箭,其後有過好幾次優化方案,其中想把第三級動力系統,改成義大利進口的意麗絲固體火箭發動機,但因為沒錢購買,所以雖然設計出了優化方案,但沒有投產。直到上世紀90年代,中國運載火箭技術研究院還想著改進長徵一號火箭,一次取消,另一次雖然將第二級、第三級助推器,都換成當時更先進的火箭發動機,但只是做了幾次亞軌道任務,截至退役仍未進行外太空航天的軌道運載任務。

東風五號最初選用的發動機以北京萬源的YF-20B為基礎。

我們的洲際飛彈又有了新的突破,新研製的東風五號洲際彈道飛彈成功發射,這款洲際飛彈能夠覆蓋美國本土,是中國第一種真正意義上的洲際飛彈,自服役以來是我國核打擊力量的中堅。在東風五號洲際彈道飛彈的基礎上又生產出風暴一號航天火箭、長徵二號系列火箭、長徵三號系列火箭和長徵四號系列火箭。這幾個系列成為中國航天工程的骨幹運載火箭,因此長徵一號火箭的改進工作就耽擱了,後來火箭各部件的更新換代,讓長徵一號火箭只發射了2次之後,就退役了。但這並不能磨滅長徵一號火箭的歷史功績。

長徵二號模型

後起之秀的各類型火箭,適用於各種需要的發射任務。長徵二號火箭,是二級主推火箭,適用於高度在500km以下的各類近地軌道衛星和其他太空飛行器的發射任務。

長徵三號火箭主要適用於自旋穩定地球同步軌道衛星的發射任務,一、二級發動機採用長徵二號丙的一、二級發動機,三級則採用世界上最先進的液氫/液氧發動機。地球同步轉移軌道運載能力為1600公斤。已經成功發射將東方紅二號通信衛星和風雲二號氣象衛星,美國休斯公司製造的HS-376平臺通信衛星,送入軌道。

長徵四號運載火箭,又名新長徵三號,是三級火箭,一、二、三級均採用常規推進劑,具有可靠性高,發射精度高,成本造價低,適應性強等特徵。主要用於發射太陽同步軌道衛星。

長徵五號系列火箭家族:CZ-200,CZ-300,CZ-340,CZ-500核心(無助推器無法起飛)和CZ-522型號。

長徵五號火箭,是中國研發的第一款重型運載火箭,為二級半構型,總長57米,芯級直徑5米,採用2臺50噸推力液氫燃料火箭發動機,捆綁4個3.35米直徑助推器,共配有8個120噸推力煤油火箭發動機,起飛質量約為870噸,10臺發動機總計可提供1060噸推力。其地月轉移軌道運載能力達到8噸,地球同步轉移軌道最大運載能力14噸,200千米近地軌道標稱運載能力25噸,較中國長徵三號乙火箭運載能力提升了2.5倍。是中國現役起飛質量最大、芯級直徑最粗、運載能力最強的火箭。

長徵五號系列火箭於2006年10月立項,2016年11月3日,長徵五號首次發射成功。這意味著長徵五號系列火箭,將滿足在未來20-30年同步轉移軌道及深空探測的大型有效載荷的發射要求。

轉場中的長徵五號遙二火箭

我們最近的長徵五號遙4、遙5火箭,就分別將天問一號送入地火轉移軌道,將嫦娥五號送入地月轉移軌道。長徵五號火箭和長徵五號B運載火箭在世界現役大型運載火箭性能排名中,分別高居第四、第五位,前三位都是美國火箭。在世界前20名排名中,中國火箭有5種型號火箭入圍。

長徵六號火箭,具有快速、乾淨、廉價等條件,適宜各種迷你衛星的發射委託,提高了商用競爭力,是中國新一代運載火箭的小型運載火箭型號,可靠性不小於0.98,居中國現役運載火箭之首。

中國長徵六號新型運載火箭在太原衛星發射中心點火發射

2015年,長徵六號運載火箭,將20顆微型衛星送入太空,創中國一箭多星發射的新紀錄。2020年又成功將13顆衛星送入預定軌道,其中,10顆衛星為阿根廷的NewSat衛星,另外搭載「太原號」科普衛星(八一03星)、天雁05衛星、北航空事衛星一號等三顆中國國內衛星。直到2020年,長徵六號系列火箭,共發射4次,成功率100%。

長徵七號運載能力介於長徵五號和長徵六號之間,填補新一代運載火箭序列裡大型運載火箭與小型運載火箭的差距,將成為中國未來的主力火箭,逐步替代現有的長徵二號、三號、四號系列,承擔80%左右的發射任務。長徵七號還用於發射天舟號貨運飛船,用於空間站的補給工作。待成熟後還將用於發射新一代載人飛船。

長徵八號

長徵八號採用無毒無汙染推進劑的面對商業市場推出的新型中型運載火箭。2021年12月末首次飛行試驗取得成功。其設計目標為商業化、低成本、方便快捷、好使用,用於滿足未來中低軌高密度發射任務需求與中高軌商業發射市場的需求。

從籤署合約到火箭出廠,履約周期約12個月,發射周期約為10天,即一年可以接30次以上的升空任務。它還是中國第一枚以完全可回收為目標的現役火箭,將為可回收火箭技術開展前期的鋪墊工作,在2030年代前其改進型擬實現芯一級與助推器整體垂直回收與重複使用。到時候,中國在發射成本和發射周期方面會得到巨大改進和突破。

長徵九號示意圖

長徵九號,是中國航天科技集團自行研製中的超重型運載火箭。主要負責未來中國載人登月、火星科考取樣返回、太陽系外圈行星探測等多種大運載高難度任務。計劃於2028年至2030年首飛。其火箭長度可達110米,芯級箭體直徑9.5米級,起飛推力5000噸級,近地軌道運載能力50噸至200噸,奔月轉移軌道運載能力15噸至50噸,奔火轉移軌道運載能力12噸至44噸。未來能將3至5人送到月球。

長徵十一號運載火箭,是中國航天科技集團研製的小型全固體燃料運載火箭,可以提高其快速進入空間、應急發射的能力。長徵十一號發射周期不超過72小時,最短髮射時間在24小時以內。長徵十一號火箭無需固定發射塔,採用輪式發射車機動發射,2019年6月5日,長徵11號在中國黃海海域發射成功。這是中國首次在海上實施運載火箭發射。

風暴一號火箭.

除了長徵運載火箭系列,上海地區為了當時國內需要,由上海市第二機電工業局(今上海航天技術研究院)設計研發了風暴系列火箭,共進行了六次發射,四次獲得成功,將六顆衛星送入預定軌道。後來國家對火箭的研製發射任務作了調整,上海不再研製風暴一號,其成熟的技術融入和延續到了上海後來研製的長徵系列火箭中。

開拓者系列火箭

開拓者系列火箭是由中國航天科工集團公司組織研製的一系列使用固體燃料的小型航天運載火箭。目前只有開拓者一號成功發射,並投入生產。固體燃料火箭沒有液體或液固混用火箭的推力大,只能發射在近地軌道運行的小衛星和微小衛星,但因相對構造簡單,簡易操作,從各級組裝到發射最快可在12個小時內完成。可以在戰時在反衛星和快速發射補充衛星數量上起到重大作用。但後期開拓者系列火箭並沒有再有改進型號,究其原因,可能是它的發射失敗率太高,總共發射4次,只成功了2次。因此,後續這一功能被長徵十一號運載火箭和快舟系列火箭取代。

快舟一號甲運載火箭發射升空.

快舟系列運載火箭是由中國航天科工集團研製的星箭一體化全固體燃料運載火箭,主要用於各類災害應急監測和搶險救災信息支持的小型衛星,偏重於「空間快速響應能力」。火箭共3級,第4級為裝有液體燃料的衛星。快舟系列火箭一共發射了12次,只在最近的2020年9月份發射失敗過一次。

上面級結構簡圖

遠徵系列上面級,是一種運載工具,是在原有的三子級火箭上面,增加相對獨立的一級,形成「四級火箭」。因此,它並不是單獨意義上的火箭,需要搭載在長徵系列火箭上,待運送到一定軌道後,遠徵系列上面級能夠自主飛行多次點火啟動,將一個或多個太空飛行器一次性直接送入不同軌道空間。它類似於擺渡車將車內的乘客送到不同地點,因此被喻為「太空擺渡車」。

「遠徵一號」上面級與「北鬥三號」衛星組合體

遠徵系列上面級發展到現在,具備不小於20次重複啟動能力,設計壽命48小時,可將10顆衛星部署到不同軌道。我國北鬥導航系統衛星能夠如此迅速組網成功,離不開遠徵系列的功勞。搭載遠徵系列上面級的火箭,總共發射19次,成功率100%。

說到這裡可能大家疑惑,為什麼沒有長徵十號運載火箭?答案是有的。而且是早在上世紀70年代初就想發射。當時這個航天計劃叫「曙光一號計劃」,項目名稱為「714工程」,也就是毛主席批示開展中國載人航天計劃的日子。這是中國於20世紀60年代末至70年代初進行的第一次載人航天計劃。可以說,美國於同時期載人登月成功,極大刺激了當時的中國航天人。要知道,那個時候我們連載人送入太空都沒有做到。

「曙光一號計劃」

為了追趕美國的航天發展水平,我們中國當時制定了現在看來非常激進的「曙光一號計劃」,著手選拔航天員,並於1971年最終確定了19名航天員。第一步是要載人送人太空,而為了登月,錢學森又抓緊主導發起了長徵十號重型火箭的研製工作,在當時我們還在剛剛起步完善長徵一號運載衛星火箭的情況下,就要跨代研製長徵十號載人航天火箭,在當時的國內國際環境下,這難度和工作壓力可想而知。

毛主席在權衡利弊之下,覺得中國「地上的事情是應首要考慮的」。由此計劃大為收縮。1975年中央政府指示暫停。因此,曙光一號工程只推進了7年就因為國力原因而不得不下馬,而長徵十號作為曙光工程的產物自然也就隨之下馬。直到30年後的2003年,載人航天計劃才由神舟五號完成。

我們看到中國航天這短短幾十年,取得的驕人成就,要知道這些成就,來之不易,是我們這麼多年來面對西方國家對我們的技術封鎖,經歷過無數次失敗和挫折,獨立自主地完成的艱巨使命。相比於美國在航天技術成果上的積澱,我們的差距還是有的。

而且我們中國人的志向是要比拼全世界,而在這個世界上的航天水平,無疑美國是走在了最前列。在全世界現役重型運載火箭性能比拼中,美國重型火箭不僅發射次數多於中國,而且發射成功率也佔優。就在剛剛過去的2020年,我國共進行了38次發射任務,接連有4次發射失利,包括長徵七號甲火箭首飛、長三乙火箭、快舟1號甲、快舟十一號發射失利商業火箭發射失利。

龍飛船正在接近國際空間站。

SpaceX獵鷹9號運載火箭攜帶龍飛船升空。

快舟系列衛星的發射失利,對我們中國火箭民用、商業化進程有一定影響。相比之下,由馬斯克於2002年創辦的,美國太空運輸領域的「黑馬」SpaceX公司,以美國民營航天製造商和空間運輸公司身份,在2020年共成功發射了26次獵鷹9號火箭。SpaceX公司開發出的龍系列飛船,是歷史上第一艘商業運營的貨運飛船。開發出的獵鷹9號成為第一枚可以多次重複使用的液體燃料火箭。並開始建造龐大的低軌網絡衛星系統「星鏈」,成為世界上最大的商業衛星運營商。還在2020年用載人1號將首批4名乘客送往國際空間站,標誌著商務航天的開始。

在CRS-8任務中,獵鷹9號運載火箭第一級首次成功降落在海上無人駕駛著陸船上。

SpaceX公司可算是是世界上首屈一指的私營航天企業,當馬雲多年前還在嘲笑馬斯克「不接地氣」的時候,馬斯克用最實際的行動,告訴我們什麼是未來產業。當我們還在為載人登月努力準備的時候,馬斯克的SpaceX公司已經開始進行火星殖民計劃。

面對航天領域激烈的競爭,我們要沉著冷靜,不被他人帶節奏,正視自己的差距,未來20年,我們航天事業的重心依舊是將中國宇航員成功送入月球軌道,並實現登月。這一天不遠不近,不急不緩,我們努力踏踏實實地走好每一步。

(圖片來自網絡,侵刪)

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