论文赏析重型运载火箭总体技术研究感觉长九立项时机成熟了

　　编者 张 智 容 易 秦 曈 孙冀伟院所 中国运载火箭研究院 北京宇航系统工程研究院
　　来源 《载人航天》2017年2月第一期第25卷
　　摘要: 重型运载火箭是一个国家进入空间能力的重要标志，也是国家综合实力的重要体现。结合世界上曾经研制过的重型运载火箭特点，对火箭的总体方案和总体技术进行研究。在总体方案中，首先分析了重型运载火箭的需求，然后根据需求选择重型运载火箭的构型和动力组成。在总体技术中，通过设计技术、制造技术和试验技术三个方向，研究了与重型运载火箭密切相关的 POGO 抑制技术、动特性获取技术、制造材料的选择、关键部件的制造技术以及动力系统试验和飞行验证等试验技术，并给出了适合我国国情的重型运载火箭发展路径。
　　1 引言
　　运载火箭是一种航天运输工具，它负责把卫星、载人飞船、空间站、空间探测器等有效载荷送入预定轨道。运载火箭的分类方法有多种，如按级数分为单级和多级火箭、按推进剂类型分为固体和液体火箭等。还有一种是按照运载火箭的运载能力大小进行分类，分为小型、中型、大型和重型( 超重型) 运载火箭。目前，这种分类方法尚无统一的量化标准，本文中将起飞重量大于 2000 t、近地轨道运载能力在 100 t 级的运载火箭及其衍生构型均称为重型运载火箭。
　　世界上曾经飞行过的重型运载火箭包括美国的土星 V，苏联的 N-1、能源号运载火箭，正在研制的有美国的 SLS( Space Launch System) 运载火箭，这些运载火箭主要应用于大规模深空探索任务或近地轨道大型有效载荷的运输任务。
　　重型运载火箭属国之重器，能够体现一个国家的综合实力。它的研制能够推动科学技术进步、带动基础能力提升、培养科技人才队伍。然而，研制重型运载火箭并建立与之配套的设备、设施，需要大量的人力、物力和财力的支撑，为了避免产生方向性错误以保证工程实施的顺利进行，先期开展方案论证和技术研究，是必不可少的程序，也是一种负责任的态度。重型运载火箭的总体方案论证及技术研究就是这个阶段的重点内容。
　　2 总体方案研究
　　2. 1需求分析
　　土星 V 运载火箭的需求来自于阿波罗登月计划，阿波罗登月计划则是出于美国与苏联的太空竞赛。可以说对土星 V 的最大需求是＂政治＂需求，目的只有一个，就是在竞赛中取得胜利。阿波罗计划成功了，在确立了美国太空的领导地位的同时，也极大地带动了美国科学技术的发展。
　　后来，随着冷战态势趋缓，再加上没有更大的太空探索计划，土星 V 火箭终止了生产。在同一时期，苏联研制的 N-1 火箭也是同一目的，但却以 4
　　次失败而告终。
　　之后美国的太空开发重点转向建造航天飞机，其目的是使美国实现高可靠低成本的进入太空，并将其作为向太空运送国防、科研、应用、民用和商用有效载荷的主要手段。从结果来看，航天飞机并未达到预定的高可靠和低成本的目标，试图用一种运输系统满足所有需求的做法被后人诟病。但无论如何，航天飞机在技术上都是个奇迹，它使美国在较长时间内保持了太空优势。从需求角度看，航天飞机是政治、军事、应用、经济需求共同作用的产物。苏联开发的能源号火箭和暴风雪号航天飞机，与美国航天飞机的概念基本相同。
　　目前，美国正在研发 SLS 重型火箭。它的目标是为近地以远的深空探测服务，如地月空间、小行星，甚至是载人的火星探测。采用递进式的发展思路不断提高技术的先进性，降低对预算的需求。低成本的近地有效载荷发射则交给了商用发射服务。俄罗斯也在持续地研究建造重型火箭的方案，但由于国内经济发展的滞后，一直未见实施计划。
　　从国外重型运载火箭发展历程来看，对重型运载火箭的需求首先是政治需求，体现综合国力，振奋民族精神，树立民族信心，增强凝聚力。其次是科学技术发展需求，包括军事、民用等诸多方面。
　　国内对重型火箭的需求研究由来已久。目前，需求主要集中在三个方面: 一是战略需求，即国家安全需要、航天发展需要和航天强国建设需要; 二是应用需求，即载人月球探测、深空探测、大型轨道设施等; 三是技术发展需求，即提升火箭动力、结构等设计、制造水平，促进我国从航天大国
　　向航天强国迈进。
　　2. 2构型分析
　　运载能力的需求决定了重型运载火箭的规模。在已知的需求中以载人月球探测任务对重型火箭的运载能力需求最大，地月转移轨道( LTO)运载能力大于 50 t。
　　重型运载火箭规模的选取应首先考虑需求因素。火箭构型选取涉及到推进剂类型、级数、直径等诸多关键要素的确定。选取中需要考虑技术继承性、先进性、带动性，要考虑技术基础和工业能力基础，还要考虑经济性等约束条件。
　　2010 年至 2011 年期间，采用 DOE( Design ofExperiments) 方法，对重型运载火箭的构型选择进行了深入的研究。该方法是将决定构型的技术要素视为变量进行组合确定出满足运载能力要求的多种构型方案，再根据事先确定筛选原则进行构型选择。选择的要素变量包括火箭级数( 助推器称为半级) 、各级动力类型、箭体直径、发动机类型、推进剂加注量等，火箭级数考虑了一级半、二级、三级、二级半、三级半，发动机类型考虑了固体动力、液氧/煤油动力、液氢/液氧动力、乃至液氧甲烷动力。在分析过程中，将从海南发射场发射的落区限制因素也考虑其中。对各种要素组合出的构型( 图 2) ，按照以下原则进行了初步筛选:
　　1) 降低研制和使用的复杂性，剔除由三种或三种以上动力类型组成构型;
　　2) 末级采用高性能动力，即采用液氢/液氧动力，剔除三级采用其它动力类型的构型;
　　3) 当芯一级使用固体动力时，助推器不使用液体动力。
　　以上的工作结果表明: 以液氧/煤油发动机为助推器、芯一级动力，以液氢/液氧发动机为二级、三级动力的三级半构型，以及以固体发动机为助推器动力、以液氢/液氧发动机为一级、二级、三级动力的三级半构型是比较合适的构型。
　　2012 年至 2015 年期间，伴随着对载人月球探测、火星取样返回任务的论证深入，对构型问题又进行了深入的优化研究。这期间的研究工作除细化了重型运载火箭的关键技术外，重点研究了系列化问题。研究结果表明，液体助推器构型，更容易通过模块组合实现多任务、多模式的系列化构型。
　　2. 3动力选型
　　火箭总体综合载人月球探测、火星取样返回的需求确定了火箭的规模和系列构型。在此基础上确定了火箭各子级的总推力需求，并进行了优化。在此后的优化论证过程中，火箭总体对动力的研究主要集中在两个方面，一方面是助推器用固体动力或液体动力的差异性分析，另一方面是液体动力单台发动机推力大小的优化研究。
　　固体动力的优点是推进剂密度大、结构简单，通过多段组合容易实现大推力，且使用操作简单。
　　最大的缺点是比冲较低，因此一般配合液氢/液氧动力使用。液体动力的优点是比冲高，在构型设计上比较灵活，缺点是结构复杂，使用操作也比
　　较复杂。
　　固体助推器一般采用耗尽关机的方式，不容易实现同步关机，对火箭飞行的干扰较大，需要芯级火箭有较强的姿态控制能力，而在这方面液体发动机的优势明显。另外，液体发动机容易实现飞行过程中的推力调节，能够降低飞行载荷，提高运载火箭性能。固体发动机也可通过装药设计实
　　现变推力，但不如液体发动机可以按照用户使用需求实时调节。
　　采用液体助推器的构型，由于芯一级采用了推力较大的液氧/煤油发动机，可以简单地通过取消两枚助推器、四枚助推器，形成重型运载火箭的系列化构型，以适应不同任务的需求。采用固体助推器的构型，由于芯一级采用推力较小的液氢/液氧发动机，难以演化出系列化构型。
　　固体发动机飞行过程中产生的故障，往往是没有预兆，或者从故障发生到产生灾难性后果时间间隔较短，难以检测。
　　该项分析还包括了研制难度、技术带动性、研制保障需求、研制及使用成本等方面的内容，最终的结论是各有优劣。
　　关于发动机推力大小的优化研究主要在液氢/液氧发动机上。研究表明二子级发动机总推力需求约为 400 t，三级发动机总推力需求约100 t。如 果 将 单 台 液 氢/液 氧 发 动 机 设 计 成
　　100 t，则三级使用 1 台，二级使用 4 台对重型运载火箭来讲是合理的选择。然而，若一种发动机只有一个型号使用，特别是像重型运载火箭这样发射次数不可能太多的型号使用，将带来费用高昂、可靠性子样少等诸多困难。因此，必须考虑新研发动机的未来应用问题。从固体助推器与液氢/
　　液氧芯级构型来看，需要较大地面推力的液氢/液氧发动机，重型火箭提出研制的真空推力200 t 级发动机可以为我国未来发展此构型的火箭拓展应
　　用空间。而单台真空推力 100 t 级发动机用于芯一级推力偏小，用于其它火箭末级又推力偏大，因而选择单台25 t 推力的发动机组合使用能够满足
　　重型火箭末级的需求，单台发动机又能满足其它型号末级使用的要求。虽然从重型火箭构型上看使用了两种型号的液氢/液氧发动机，增加了型号
　　的研制复杂度，但从全局来看，是一种优化的选择。
　　3 总体技术研究
　　重型运载火箭总体技术包括设计技术、制造技术、试验技术和发射支持技术等多个方面。本文仅描述对重型运载火箭总体技术方案有较大影响的技术内容。
　　3. 1设计技术
　　3. 1. 1POGO 抑制技术
　　液体火箭的纵向耦合振动( POGO) 是指液体火箭的结构纵向振动与推进系统的液体脉动互相作用而产生的一种自激振动，如图 3 所示。
　　关于 POGO 问题，国内外都进行过大量研究，包括机理、稳定性分析、试验和抑制等。POGO 现象在 20 世纪 60 年代初双子星计划中被发现，NASA 首次认定 POGO 对载人飞行器以及航天员是一种威胁。NASA 在双子星计划、阿波罗计划中进行了大量的分析工作，1970 年形成了关于POGO 设计准则、建模、评估的标准。该文概述了当时的技术现状，提出了设计准则，推荐了数学建模、地面试验、稳定分析、修改完善和飞行评估方法。在泵入口处安装蓄压器被建议作为降低管路共振频率的最有效方式，但前提是蓄压器频率低于结构一阶模态。随着火箭规模的增加，火箭结构一阶纵向频率越来越低，POGO 抑制问题
　　愈加严峻。
　　除了全箭结构纵向模态外，火箭的横向模态和局部模态也能引起 POGO 现象，如土星 V 二级中心发动机机架与液氧箱底的振动耦合。各种模态频率交织在一起，用频率窗口的设计方法已经很难找到合适的空间。继续降低管路中的液体频率，需要使用尺寸庞大的蓄压器，结构上几乎难以实现。
　　无论是采用哪种形式的蓄压器，都属于被动控制措施，其目的将管路液体频率与结构纵向频率、横向频率或者是局部结构频率错开。在众多频率交织在一起时，同时错开很多频率几乎不可能，因此提出了主动控制方法。主动控制方法根据飞行中得到的观测量，实时的改变控制量，因而对模型的精确性要求不高，而且针对出现的各种情况可以进行地面的模拟试验。
　　无论是在国外大型火箭上广泛应用的注气式蓄压器，还是航天飞机计划中研究过的主动式蓄压器，我国的运载火箭都未曾使用过。这些年来一些院校和科研单位对此进行了广泛研究，目前基本停留在理论层面，后续应加强工程实现方面的研究。
　　3. 1. 2动特性获取技术
　　运载火箭结构动力学特性( 简称动特性) 是火箭姿控系统稳定性分析、结构动载荷计算、星箭载荷耦合分析以及 POGO 稳定性分析的基础和依据。
　　到目前为止，我国运载火箭的动特性都是通过在振动塔设施内通过动特性试验获取。重型运载火箭的尺寸超过目前全箭振动塔的可容纳箭体结构直径或高度，重量也超过振动塔的承载能力，若仍采用这种方法获取重型运载火箭动特性，需新建类似的大型试验设施。应用传统方法获取的数据比较可靠，但设施建设费用高，且试验周期长。国外的一些运载火箭研制，如欧洲阿里安火箭、苏联能源号火箭等已应用了另外一种动特性获取技术，即: 基于子结构有限元模型组装的全箭动特性获取技术，来获取全箭动力学特性。该技术通过合理的试验技术发展、理论建模、计算分析、试验数据及模型修正等试验-计算一体化设计，来获得产品真实飞行条件下的动力学特性。
　　目前共有两种途径，一是进行组合大部段模态试验，之后进行模型组装或模态综合; 二是设计和制造缩比模型，通过缩比模型试验外推实尺寸动力学模型。前者研究以法国和苏联为代表，后者研究以美国为代表，但美国虽然在大力神、土星 V等火箭中研究了大量缩比模型，最终仍进行了真
　　实尺寸动特性试验。
　　从目前研究的情况看，采用缩比模型的方法技术上是可行的，关键是缩比模型的正确性确认风险较大。采用部段模态组合的方法也是可行的，其关键是部段连接处的刚度数据获取，这种方法同样需要开展全尺寸子级的动特性试验，但规模上要比全箭试验小得多，容易实现。
　　3. 2制造技术
　　3. 2. 1 轻合金材料技术
　　随着铝合金材料的不断进步，变形铝合金材料已从第一、第二代发展到第四代，其显著特点是强度高、耐腐蚀性强。第四代超强、高韧铝合金材料具有高比强度和高比模量的特点，能够更好的满足结构轻质化设计需求。作为我国下一代运载火箭的代表型号，应用新材料，提高火箭性能，带
　　动材料应用发展是重型火箭的责任和义务。
　　重型运载火箭末级贮箱拟采用在欧美国家航天运载器贮箱结构已经实际应用或有明确应用意向的高性能铝锂合金，包括 2195、1460 及 2050等。在高强铝合金材料方面，7050 铝合金具有较高的强度、较好的断裂韧性、较满意的抗应力腐蚀性能和良好的淬透性，其厚板已大量应用于波音
　　777、F /A-18 以及 F-22。目前我国已具备 7050 厚板的批量供应能力，在 CZ-7 运载火箭结构件上采用 7050 厚板替代部分锻件作为承力支座，经静力试验考核满足使用要求。7055 铝合金比 7050 铝合金具有更高的强度，同时具有较强的断裂韧性。
　　7085 合金是新一代超高强铝合金厚板的代表，也是厚截面锻件的理想选材。这些材料在运载火箭或武器系统上已得到初步的应用，未来也将支撑
　　重型运载火箭的研制。
　　3. 2. 2大直径结构制造技术
　　大型结构制造可行性，直接影响到总体技术方案的可行性。工艺技术的稳定性直接关系到结构设计相关系数的选取，进而影响到技术方案中技术指标的实现。尽早地开展制造技术的研究，对重型运载火箭的工程实施意义重大。在结构制造方面，直接与＂大＂相关的技术包括: 大型原材料的制备、大直径部组件的制造( 含工艺、专用装备研发等) 。
　　贮箱＂Y＂型环的整体制造，需要更大吨位的铸锭。铸锭越大，其内部的组织越差。同时，还需建造大型的热处理设备和胀形设备，使贮箱＂Y＂型环的整体制造技术取得全面突破。
　　典型大直径结构是芯级壳段和贮箱。对装配工艺要求最高的是贮箱。按照贮箱制造技术的未来发展趋势，贮箱的绝大部分焊接将采用搅拌摩擦焊。2219 铝合金材料的搅拌摩擦焊技术在新一代火箭的研制中已经突破，采用的装配方式是卧式焊接装配。研究表明，对于重型运载火箭这种直径的贮箱，不适宜采用卧式焊接装配的方法，而需采用更为先进的立式焊接装配方法。立式装配方式在国内从未采用过，从国外资料看，其技术难度很大，需要在装备的设计、安装、调试上进行技术攻关，确认这项技术的可行性。
　　3. 3试验技术
　　3. 3. 1 动力系统试验
　　动力系统试验是运载火箭研制必不可少的环节之一，是考核全箭或火箭子级方案正确性、工作协调性和可靠性最为重要的试验，也是在发射前检验火箭在发射场各项工作的关键环节，是最接近飞行状态的试验。从美国( 图 4) 、欧空局、日本、俄罗斯等航天火箭的研制规律可以看出，动力系统试验是运载火箭研制过程必不可少的环节。
　　动力系统试验必须有相应的试验设施支撑。试验设施的建设方式有多种多样，没有定式。各个国家依据研制周期、研制经费、原有设施技术状况、科研机构布局特点、火箭运输方式、气象和环境特点等因素综合考虑，有的建立专门的试验台，有的利用原有试验台改造，也有利用原有发射台进行试验。美国、俄罗斯运载火箭发展早期都建立了大吨位的动力系统试验台，这些试验台一般还可兼顾发动机研制试验，如美国斯坦尼斯航天中心的 B 试验台、俄罗斯的 101 和 102 试验台。
　　美国德尔它 4 火箭的通用芯级动力系统试验即在承担过土星Ⅴ和航天飞机动力系统试验的 B-2 试验台上进行。阿里安 5 一子级是利用阿里安 5 发射台进行动力系统试验，而没有专门建造动力系统试验台; H-ⅡA 火箭二子级利用了原 H-Ⅰ二子级动力系统试验设施。
　　由于大直径贮箱的运输问题，我国原有的试验设施无法改造利用，动力系统试验台需重新选址建设。为了能够充分利用现有或将要为重型火箭专门建设的配套设施( 如推进剂生产设施) ，最佳的建设地点是发射场。
　　对于动力系统试验工位与火箭发射工位共用的初步研究表明，两种设施表象上有共同之处，但某些具体指标要求差距较大。火箭发射时导流槽承受发动机尾流冲刷时间一般约 10 s，而动力系统试验时往往需要上百秒。火箭发射时火箭发射台及地基承受的是压力，而动力系统试验时需要承受拉力。如果两者合一设计，必然造成设计难度和施工难度加大，同时也会使研制周期加长。
　　在同一区域分开建设也能够共用部分设施，如推进剂生产，产品测试等。在动力系统试验完成后，也可以将其改造成发射工位，供短时间内发射两
　　发重型火箭使用。
　　3. 3. 2 飞行验证试验
　　土星系列运载火箭专为阿波罗载人登月计划而研制，先后研制的型号有土星 I、土星 IB 和土星V 等 3 种火箭。土星 I 火箭( 研制型) ，是执行阿波罗计划的第一个型号，用于阿波罗计划的早期地球轨道飞行试验和发射飞马座宇宙尘探测卫星。土星 1B( 改进型) 用于不载人或载人阿波罗飞船地球轨道飞行试验、土星 V 和飞船程序及部
　　件或者系统的试验、发射天空实验室。美国最终用于正式执行阿波罗计划为土星 V 火箭，其先后研制的土星 I、土星 IB 两种中间构型的火箭，并使用这两型火箭对土星 V 火箭的关键系统进行了大量飞行考核，为保证土星 V 火箭首飞成功奠定了基础。从某种层面上，美国研制的土星 I 和土星 IB，以及利用这两型火箭开展的飞行试验是更高层次上的飞行验证试验。
　　从世界运载火箭研制过程中进行的大型试验情况来看，战神 I 在首飞前进行了战神 I-X 飞行试验，其是一次真实意义的＂试验＂，为亚轨道飞行，目的是获得飞行力学环境参数、考核滚动控制、验证分离系统并获得分离环境、验证一子级回收系统等方案。
　　从目前的大型试验发展趋势来看，从传统模式的动力系统试验到目前多系统参与的动力系统试验，其试验复杂程度大大增加，同时在试验过程中更多的技术方案得到了更为充分的考核，系统间的接口协调性也得到了验证。从这样的发展趋势来看，进行以多级、全系统参与的飞行试验也是未来大型试验发展的必然趋势。
　　对于系列化的重型运载火箭构型，可以采用先进行串联构型的飞行验证，再进行最大构型( 或两助推器构型) 的飞行验证。但用飞行试验替代动力系统试验的设想所产生的风险和代价难
　　以接受。
　　3. 4测试发射模式
　　测试发射模式对测发流程的选择和确定、发射场总体布局、发射场地面技术设施的功能、组成与能力起着决定性的作用。
　　火箭在发射场的技术准备工作主要包括产品组装、测试、转运，通过这三个项目基本上能反映火箭的技术状态、地面设施设备和发射场总体布局的特点。目前，国内外运载火箭在发射场的组装、测试、转运技术状态可概括为: 一平两垂、三平( 如图 5) 和三垂三种测试发射模式。
　　俄罗斯重型火箭主要采用三平发射模式( 水平总装、水平测试、水平运输) ，美国土星 V 和航天飞机采用三垂发射模式( 垂直总装、垂直测试、垂直测试) 。一平两垂( 水平运输、垂直总装、垂直转运) 发射模式在我国的 CZ-3A 系列火箭、CZ-2C 火箭仍然在使用。
　　无论是三垂还是三平发射模式，其目的都是为了能在一个环境条件较好的地方完成火箭的组装和绝大部分测试，缩短发射区准备时间，提高发射工位的使用效率。从目前情况来看，我国重型运载火箭选择在海南发射场发射是必然的结果，考虑到海南发射场的环境条件，在技术区完成组装和测试的优势明显。需重点讨论的问题是水平组装测试还是垂直组装测试。
　　从测试状态的真实性、测试方便等方面来看，三垂模式优点突出，且在海南发射的 CZ-5、CZ-7火箭均采用此种模式，技术继承性较好。缺点是要建设超过百米高的垂直厂房和研制近万吨的垂直活动平台。三平模式的测试真实性较差需要增加发射区测试项目。三平模式虽然对厂房和运输设备需求较低，但我国在大型火箭水平起竖技术上的基础薄弱，尚需在关键技术攻关阶段开展深入的研究工作。
　　4 结论
　　重型运载火箭是国家战略需要，是航天发展需要，也是技术进步的需要。实现重型火箭的技术途径有多种，适合我国国情和发展需要的才是最佳的选择。重型运载火箭的研制既是挑战也是机遇。先期开展一些关键技术的研究既有利于途径的选择也有利于后续工程研制，通过扎实严谨的研究来解决争议或争论。