新一代载人火箭呼之欲出,科技亮点抢先看!

2021-11-27 12:37:13 知识就是力量杂志

新一代载人运载火箭是根据我国载人航天工程发展规划,为发射我国新一代载人飞船而全新研制的一型高可靠、高安全的载人运载火箭,是新一代运载火箭的成员之一,由航天科技集团一院(简称:火箭院)抓总研制。

图源:网络

目前,这款火箭还在研制阶段,在2018年11月举行的第十二届中国国际航空航天博览会上,该火箭模型首次公开。

载人登月是人类的共同梦想。长征五号系列火箭的研发成功,让中国拥有了探测星际和建设大型空间站的能力,但它25吨的近地轨道运力依然有限,为了开展载人登月任务和未来更多的载人深空探测任务,中国必须研发性能更强大的火箭。

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新一代载人运载火箭的规模,将大大超过我国当前运载能力最大的长征五号火箭。目前方案来看,新一代载人运载火箭的直径与长征五号火箭的芯级一致,高度比长征五号火箭高近三分之一,近地轨道运载能力70吨,力气远远大过长征五号火箭。

该火箭按照载人飞行的最高安全标准设计,充分继承了长征五号、长征七号等火箭研制中已突破的关键技术,通过利用成熟的动力和结构模块进行优化组合。

2017年,火箭院启动了新一代载人运载火箭方案论证工作,已完成多轮方案对比分析,该火箭瞄准国际先进技术趋势,实现了技术更新换代,采用新型泵后摆高压补燃发动机、高安全逃逸系统、轻质高强度新材料等先进技术。

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新一代载人运载火箭将继承长征二号F火箭高可靠、高安全的载人运载火箭的设计标准和设计基因,在故障检测、自动化飞行,还有相关的冗余设计方面,开展一系列的技术攻关。未来,将支撑更大吨位的飞船进入太空,让航天员进入太空,更方便、更快捷、更舒适、更安全。

2019年10月9日,火箭院“5米直径模块新一代载人火箭总体技术与工程应用”项目,顺利通过了中国载人航天工程办公室组织的验收评审。评审专家一致认为,该预先研究项目的成果可用于中国新一代载人运载火箭工程研制。

作为支撑航天强国建设的重要手段,该项目勾勒出新一代载人火箭总体雏形:由助推器、芯一级、芯二级、芯三级、逃逸塔及整流罩组成,箭长约90米,起飞重量约2200吨,起飞推力接近2700吨,地月转移轨道(LTO)运载能力不低于25吨。它还可以与多种模块组合使用,形成近地轨道运载能力40-70吨,地球同步转移轨道运载能力10-32吨的系列化型谱,并且采用多台发动机并联布局可以实现垂直起降重复使用。后续,火箭的具体研制计划还将在工程总体和航天科技集团的安排下,不断更新、完善、细化。

火箭将采用轻质高效结构设计和先进制造技术,轻质高可靠推力矢量控制技术,火箭纵向耦合振动抑制新技术,先进测试发射技术,火箭动力系统冗余和飞行控制重构技术,冷氦增压技术,低冲击高可靠船箭分离技术等,其中大直径大温差低温共底贮箱设计和制造技术、百吨级推力贮箱箱底传力结构设计和制造、大推力火箭发动机电静压推力矢量控制等技术为国际首创。

该火箭将充分继承长征五号、长征七号等新一代运载火箭成熟的发动机技术和高可靠飞行控制技术;同时采用新型逃逸系统设计技术,简化逃逸模式,提高了航天员的安全性。采用多台发动机并联,千吨级捆绑载荷传递和箭体结构设计一体化等方法,并采用大量新材料、新工艺,使火箭运载效率有较大提高。

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火箭院于2020年研制出中国首个“3.35米铝锂合金箱底”。该箱底为整体成形,一条焊缝都没有,而且材料实现升级换代,标志着中国运载火箭贮箱制造技术取得重大突破,为中国重型运载火箭、新一代载人火箭等的研制提供重要技术支撑。在中国现役火箭上,每一个火箭的燃料贮箱都有两个箱底。每个箱底,看上去就像半个西瓜,传统工艺是由8个瓜瓣儿、1个顶盖和1个过渡环“拼焊”而成,每个箱底上一共有10条主焊缝。一枚火箭上通常有26个箱底,约有260道焊缝,总长度将近一千米。焊缝破坏了材料的连续性,是整个箱底最薄弱的环节。焊接中容易产生气孔、变形、裂纹等缺陷,影响箱底可靠性和合格率。取消焊缝后,火箭能够减重60公斤。“3.35米铝锂合金箱底”采用整体旋压成形工艺,就是一块板材在一个数控程序内、通过一个模具、历经一次装卡,一步成形、整体成形。整体旋压成型,制造工序少、周期短,而且可靠性高,整个箱底上没有一道焊缝。原来一个箱底的生产周期要两三个月,现在15天到20天就能完成。

目前,我国运载火箭最大地月转移轨道运载能力约8吨,要实现从无人到有人的重大跨越,就必须研制能力大、高安全可靠的新一代载人火箭。为此,工程总体组织开展了技术论证,提出了新一代载人火箭研制要求,用于发射新一代载人飞船,与重型火箭共同完成长远发展任务。

航天界常说:“运载火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。”新一代载人运载火箭通过优化组合将我国火箭近地轨道运载能力由25吨提升到70吨以上,地月转移轨道运载能力满足25吨级载人飞船要求,最大程度发挥了我国现有火箭研制能力体系,大幅提升了我国进出空间的能力。

新一代载人火箭全面应用了我国运载火箭发展的最新技术,具有“高效率、高可靠、高安全、新材料、新结构、新模式”的显著特点,运载效率提高10%-30%,全面实现无人操作、无人加注。目前已经完成了新型泵后摆高压补燃发动机、固体可调推力姿控发动机、新型无毒姿控发动机的点火试车。

后续,新一代载人运载火箭还将用于未来载人月球探测工程中环月、绕月、登月等演示验证及飞行任务,快速推动我国运载火箭技术和进出空间能力的重大提升和跨越。未来还可以和重型运载火箭长征九号组合使用建立月球基地,实现月球可持续开发利用,全面建设航天强国。

作者:钱航博士 (航天科普专家、航天设计师)

审稿:庞之浩(中国空间技术研究院研究员、全国空间探测技术首席科学传播专家)

本文来自科普中国

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