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我国运载火箭划代技术研究  

2014-03-21 09:41:39|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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航天科技一院一部启动运载火箭划代研究
来源: 中国航天报     日期:2012/04/16
  近日,中国航天科技集团公司一院一部启动了运载火箭划代研究工作,这也是国际上对运载火箭进行划代研究的首次尝试。此次研究将对我国航天事业起步以来所有火箭型号进行代际划分,以此探索我国火箭技术的发展规律,丰富和指导我国火箭的型谱化建设及未来新型号研制。
  火箭划代是根据国内外各阶段运载火箭动力、控制等系统的技术状况以及火箭技术先进性、飞行可靠性等技术特征,梳理火箭发展脉络、探索运载技术发展的内在规律,其难点在于:必须从复杂的运载技术中梳理出具有代表性的技术特征作为划代准则和指标。目前,运载火箭划代研究课题组已经提出了划代的基本思路,将于年底完成该项工作。
  火箭划代研究对于明确火箭型号所处的技术水平及未来发展趋势,提高我国运载火箭发展的前瞻性、预见性、科学性和指导性将产生巨大影响。(秦旭东)

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我国运载火箭划代技术研究
中国航天报  2013年10月18日
一院火箭科研人员 秦旭东 容易 王小军 龙乐豪

对我国所有火箭型号进行代际划分,以此探索我国火箭技术演进规律,对丰富和指导我国火箭的型谱化建设及未来新型号研制具有指导意义。

火箭划代的方法

通过查阅资料,发现国内外对运载火箭划代均没有开展过专题研究,但是战斗机、导弹和航母等领域的划代情况可以为运载火箭划代提供思路和参考。
综合其它领域划代方法,结合运载火箭的发展历程和技术特点,提出了时间历程划代法和综合技术指标划代的思路。
时间历程划代法(年代法)
按照我国运载火箭的发展历程进行划代,比如最早研制的CZ-1、CZ-2 可化为第一代,主要是解决我国运载火箭的有无问题。运载火箭存在的使命在于把有效载荷送入预定轨道,其生命周期较长,比如CZ-2C 火箭1975 年首次发射,到现在仍然为我国现役主力火箭;CZ-3C 火箭2008年首次发射成功,而CZ-3B 火箭是1997 年首次发射成功,虽然CZ-3C 的研制时间晚于CZ-3B,但并不能说CZ-3C 火箭综合性能更优。另外,美国土星V 火箭于1962 年开始研制,1967 年首飞,虽然研制时间早,但其LEO120 吨的运载能力让现役的众多火箭仍难望其项背。
综上所述,采用年代法开展运载火箭划代缺乏科学性,采用综合技术指标法开展运载火箭的划代研究可能更趋合理。
综合技术指标法
采用综合技术指标法对我国运载火箭进行划代,首先要提出我国运载火箭的技术指标。涉及到运载火箭的技术指标较为复杂,通过对国内外运载火箭发展历程及技术水平演变过程的综合分析,可按照运载火箭总体性能、产品性能、可靠性和安全性、环境适应性、使用维护性、经济性6项主要指标进行综合评价。
1、总体性能:包括运载能力的大小;对不同轨道的适应能力,是否采用模块化设计思想,适应不同轨道需求;起飞质量与有效载荷比;为保证入轨精度和保证箭体稳定性,采用的制导方案和姿控方案等。
2、产品性能:包括电气系统是否采用总线、重要单机(惯组、平台)的性能指标;集成电路规模,是采用数字电路还是模拟电路;测量系统采用的测量模式和容量。箭体结构采用的材料,箭体直径的大小,是否采用捆绑。动力系统所使用发动机的推质比、比冲的高低、单台发动机推力、增压方式等。
3、可靠性和安全性:包括电气系统是否冗余,是否具备故障检测功能;动力系统使用发动机的台数,是否使用无毒无污染的推进剂。
4、环境适应性:包括是否采用了三防(防潮湿、防霉菌、防盐雾)、四防(防雷、防电磁感应、防静电、防射频电磁辐射)设计;是否采用了减振、隔噪设计等。
5、使用维护性:包括火箭在靶场的发射流程是否快捷、简单,维修是否简便。
6、经济性:包括运载单位有效载荷的成本,包括是否实现产品化,是否重复使用。
按照以上技术标志,总结火箭各系统的技术特征,采用综合评分表对我国运载火箭进行综合评比,按照评分的高低进行划代。

我国运载火箭划代分析

通过对我国运载火箭指标分析,结合专家意见,形成了划代量化指标测评表。主要性能指标的确定以及每项指标所占评分的权重是形成指标测评表的切入点,也是整个划代工作的核心和重点。为确保划代指标测评表准确、完善和客观,组织相关专家,采用讨论和评分方式,对各项指标及所占权重进行了打分和排序,其中性能指标所占比例最高,达到60%,性能指标又细分为总体性能和产品性能两个部分。经过多轮修订,最终形成了指标评分分配表和划代测评表。综合评分越高者,表示综合技术水平越先进。
根据专家测评结果和多次讨论后,对主要的技术指标进行了细化,共细化成29 项子指标、117 个打分准则,涉及到总体、控制、动力、结构、测量、地面发射支持等各个系统,对每个子标准均给出了详细的评分准则。
采用综合技术指标法对我国运载火箭进行了划代,可以得出如下结论:
1. 得分低于30 分的为第一代。CZ-1 和CZ-2 的得分远低于其他型号,成为了毫无争议的第一代。第一代运载火箭采用模拟控制系统,是我国进入空间的探索性研究,解决了我国运载火箭的有无问题,使我国具备了独立发射卫星的能力。
2. 得分30 分~50 分之间的为第二代。CZ-2C 系列、CZ-2D、CZ-3、CZ-2E 的得分均小于或等于50 分。在飞型号中,CZ-2C 系列、CZ-2D 为第二代。第二代火箭仍然带有型号产品的痕迹,采用了数字控制系统,总体性能与第一代相比,有了较大提升。
3. 得分50 分~70 分之间的划为第三代。CZ-2F、CZ-3A、CZ-3B、CZ-3C、CZ-4B、CZ-4C 的得分在50~70 之间。第三代火箭主要用于完成载人航天任务、GTO 轨道或重量较大的SSO 轨道有效载荷发射任务。第三代火箭在第二代基础上,持续开展可靠性增长和技术改进,采用系统级冗余的数字控制系统;增加了三子级,任务适应能力大大提高;或为满足载人航天任务需求,增加了故检逃逸系统,其任务可靠性大大提高。
4. 得分高于70 分的为第四代。CZ-5、CZ-6、CZ-7 的得分均高于70 分,其中CZ-6 得分为72分,CZ-5、CZ-7 得分为80 分~95 分。第四代火箭将承担我国现役运载火箭的更新换代任务,将全面提高我国运载火箭的技术水平,增强进入空间的能力,满足空间技术发展的需求和国防现代化建设要求,使我国运载技术始终处于世界先进水平行列。
可以看出,第四代运载火箭型谱中,缺少SSO 轨道运载能力3吨~4 吨左右的运载火箭,缺少LEO 运载能力百吨级的重型火箭。
基于国外运载火箭最新发展动态、发展趋势和我国运载火箭发展现状及差距分析,根据划代测评表中重要技术指标综合评定结果,提出我国运载火箭未来重点发展方向,即重点构建快速响应发射能力、研制重型运载火箭、研制重复使用运载器、发展核推进等高比冲推进系统等。
结合我国运载火箭发展趋势,对我国未来运载火箭也作了简要的划代分析,我国未来运载火箭可划为第五代和第六代。
我国第五代运载火箭主要以突破可重复使用技术为关键特征,使我国运载火箭能够“快速、机动、廉价、可靠”地进入空间。
我国第六代运载火箭主要以突破先进推进技术为关键特征,突破核推进等技术,并投入工程应用,大大提升我国运载火箭深空探测任务的适应性,使得我国航天运输系统发生革命性的变化。

国外火箭的划代分析

目前,世界上从事航天活动的主要国家和地区有美国、俄罗斯、欧洲和日本等。
美国作为航天强国,一直引领航天技术的发展。美国现阶段主要使用EELV火箭(德尔塔4和宇宙神5)发射中大型有效载荷;俄罗斯在役运载火箭主要为质子号系列和联盟号系列;欧洲在役运载火箭主要为阿里安5 火箭;日本在役运载火箭主要为H2系列运载火箭。
以宇宙神5、德尔塔4、联盟号、质子号、天顶号、阿里安5、H-2B等几型主流火箭,开展划代标准的验证分析。宇宙神5、德尔塔4 和阿里安5 等主流火箭得分与我国CZ-5 火箭相当或略高,这也印证划代标准可以适用国外火箭的划代。
航天发展、运载先行。运载火箭划代研究成果对分析我国火箭技术演进规律、指导我国火箭的型谱化建设及未来新型号研制具有重要参考意义。

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