重型运载火箭及其应用探讨

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1、重型运载火箭及其应用探讨2011-05-0710:38:33作者：admin来源：提出中国重型运载火箭发展原则，根据这些原则，进行重型运载火箭构型分析，初步确定了火箭的直径以及发动机的推力量级，形成了基于大推力液氧煤油发动机和基于大推力固体助推器的两种重型运载火箭总体技术方案，并对重型运载火箭的关键技术进行了梳理。结合重型运载火箭的特点对未来的 文摘：提出中国重型运载火箭发展原则，根据这些原则，进行重型运载火箭构型分析，初步确定了火箭的直径以及发动机的推力量级，形成了基于大推力液氧煤油发动机和基于大推力固体助推器的两种重型运载火箭

2、总体技术方案，并对重型运载火箭的关键技术进行了梳理。结合重型运载火箭的特点对未来的潜在应用需求进行了分析，结果表明重型运载火箭对于提升中国空间活动能力，加快空间应用开发的步伐都有着重要意义。结合上述分析，提出了加速推动重型运载火箭的后续发展建议。0前言一个国家进入空间的能力在很大程度上决定了其空间活动的能力，以及空间应用开发的水平，世界主要航天大国都以进入空间能力来衡量其空间技术水平，运载火箭是目前世界上进入空间的主要运载工具，运载火箭的规模和水平支撑了进入空间的能力。在中国从航天大国向航天强国转变的过程中，重型运载火箭是实施太空

3、发展战略的必要保证，可以有效拓展航天产业发展空间、大幅提高进入空间能力、促进航天科技整体水平提高，对提升空间开发水平、提高工程技术综合实力，进一步增强中国在国际社会的政治影响力，提高综合国力，有着重要的战略意义。随着人类探索太空的不断深入，世界各国已经将越来越多的探索目标瞄准了更加遥远的深空，美国和欧空局已经开始了大规模的深空探测任务规划[1]。21世纪初美国制定了重返月球的“星座”计划，尽管2010年初美国国会宣布中止“星座”计划，但是并没有终止重型运载火箭阿瑞斯V的研发进程[2]。2010年7月15日美国参议院通过了NASA2

4、011财年预算授权法案，法案要求将重型运载火箭的研制时间提前至2011年，2016年底前投入使用。纵观国外航天大国的运载火箭发展趋势，进一步提升进入空间的能力成为各方共同的选择，随着日本H-2B的首飞[3]和印度300t推力级固体助推器的研制成功[4]，中国运载火箭在世界航天界第二集团的优势地位已经丧失，为了进一步增强优势，缩短与领先国家的差距，有必要加快开展重型运载火箭的研究工作。1重型运载火箭发展原则结合国外重型运载火箭的发展历史，基于中国航天运载技术发展特点，以未来空间任务需求为目标，提出中国重型运载火箭的发展总原则：a）多

5、任务适应能力：重型运载火箭应能够满足多种探测任务的要求；b）大吨位运载能力：为满足一次交会完成载人登月和多次交会完成载人登火等深空探测任务对运载能力的需求，重型运载火箭近地轨道（LEO）运载能力应不低于130t；c）高可靠使用性能：重型运载火箭应该采用高可靠总体方案，降低飞行风险，确保火箭总体使用性能；d）新技术牵引能力：通过重型运载火箭牵引大直径箭体、大推力火箭发动机研制，带动航天新产品的发展，促进现有产品的更新换代。2重型运载火箭初步总体方案2.1总体方案选择2.1.1动力系统选择动力系统是运载火箭的基础，决定了运载火箭的起飞

6、规模，同时也决定了运载火箭的能力。为了提高运载效率，重型运载火箭的上面级发动机应该选择氢氧发动机，而地面起飞动力的选择，需要进行深入的对比分析。根据目前运载火箭主流动力系统的发展情况，可以基于液氧煤油发动机、液氢液氧发动机和固体发动机来构建中国的重型运载火箭。根据中国重型运载火箭大吨位运载能力发展原则，结合重型运载火箭的起飞规模推算，起飞推力应达到5000t推力级（采用不同的推进剂时起飞规模不同，推力量级也会有少量差异，此数值为中间值）。采用不同发动机的配合，可以得到不同的地面起飞动力组合，结合国内外运载火箭的研制经验以及发动机推

7、力量级，同时避免多台发动机同时工作带来的恶劣力学环境等问题，初步考虑地面起飞发动机数量不超过8～9台。据此，经过初步计算，对不同的重型运载火箭地面起飞推力组合分析见表1。通过表1的分析可知，可以选择的重型运载火箭地面起飞动力组合是：方案A：全液氧煤油发动机组合；方案B：固体发动机+氢氧发动机组合。 2.1.2火箭构型选择重型运载火箭的级数选择是综合考虑各种因素后确定的，在一定范围内，火箭级数越多，运载效率越高，但是火箭级数增加后也将带来诸多问题。a）火箭级数越多，分离、发动机空中点火次数就越多，增加了火箭飞行风险，不利于提高火箭可

8、靠性；b）火箭级数增加，同等直径下火箭的长度也将增加。对于重型运载火箭来说，由于起飞质量很大，已经使火箭存在一阶弹性频率低的风险，如果火箭长度过长，将会不可避免地降低火箭的一阶弹性频率，给控制系统的设计带来较大的难度。例如美国土星V火箭和战神I火箭