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长缨在手 敢缚苍龙

 
 
 
 
 

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专访龙乐豪院士  

2016-06-25 14:09:05|  分类: 宇航工程 |  标签: |举报 |字号 订阅

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努力实现运载火箭技术的新跨越
——专访运载火箭技术专家龙乐豪院士

本刊记者 徐菁

龙乐豪,中国工程院院士,我国著名运载火箭技术专家,曾主持和参加国家重点工程中运载火箭与导弹的研制,取得重大成就。龙乐豪院士是长征三号甲系列运载火箭首任总设计师兼总指挥,全面主持研制工作,成功研制出新技术多、难度大、具有世界一流水平的大型火箭群体,对实现我国新一代应用卫星发展战略目标,扩大航天的对外交流合作,产生了深远和重大的影响,获国家科技进步特等奖。在中国航天事业创建60周年之际,本刊对龙乐豪院士进行了专访。

记者:今年是中国航天事业创建60周年,请您回顾一下60年来我国运载火箭技术的发展。

龙乐豪:60年来,我国运载火箭技术经历了五大步的发展,成功研制了20个型号的火箭。第一步,运载火箭技术在弹道导弹的基础上起步,最典型的就是长征一号火箭。当时,周恩来总理下决心研制和发射我国第一颗人造地球卫星,于是我们在东风四号中远程弹道导弹的基础上增加了一个小型固体自旋稳定上面级,研制出长征一号运载火箭,将我国第一颗人造地球卫星成功送入轨道。长征一号火箭共发射了两次,都取得了成功。另一个是长征二号火箭,它在东风五号导弹的基础上研制,成功发射了返回式卫星。第二步,是按照运载火箭自身发展规律研制火箭,要求火箭运载能力大、性能高、可靠与廉价。最典型的代表是长征三号火箭,它在东风五号导弹的基础上增加了以液氢液氧为推进剂的第三级。长征三号火箭将我国第一颗通信卫星发射到地球同步转移轨道上。后来在此基础上,发展了长征三号甲系列火箭(包括长征三号甲、长征三号乙和长征三号丙三型火箭);以后又有长征四号火箭。第三步,按照载人发射需要而研制的运载火箭,典型代表是长征二号F火箭,它是在长征二号E火箭的基础上改进完善的,着重在可靠性上进行了很大的提高。第四步,是研制使用环保绿色推进剂的新一代运载火箭。一般来说,新一代运载火箭通常是指长征五号、长征六号、长征七号及长征十一号。早在20世纪80年代中期,我们就积极呼吁国家研制使用液氧煤油环保推进剂的运载火箭,2006年国家正式立项,研制长征五号新一代大推力运载火箭,经过10年时间,长征五号将于今年实现首飞。第五步,是研制快速响应运载火箭,典型的代表是长征十一号,也包括航天科工集团的“快舟”火箭。
如果按照综合技术评分法(包括火箭运载能力、采用的技术含量等要素)对我国运载火箭进行评估,得分在30分以下的为第一代火箭,也就是长征一号和长征二号;得分在30到50分之间的为第二代火箭,包括长征二号E、长征二号丙SM、长征二号丙SMA、长征二号丁、长征三号及长征四号甲火箭;得分在50到70分之间的为第三代火箭,包括长征四号乙、长征四号丙、长征二号F及长征三号甲系列火箭;得分在70分以上的是第四代火箭,是指包括长征五号、长征六号、长征七号及长征十一号在内的新一代火箭,长征六号和长征十一号已经首飞成功,今年将实现长征五号和长征七号的首飞。总的来说,从世界的眼光来看,长征系列火箭这个大家族,在世界上的地位是能够引以为傲的。首先,火箭品种齐全,近地轨道的运载能力小、中、大都有,能够满足国民经济建设以及部分国外用户的需求,为实现航天三大里程碑做出了历史性贡献;其次,长征系列火箭的可靠性比较高,按照国际标准统计,从1957年到2015年,全球共发射5400多次,长征系列火箭的成功率是95.5%,而全球平均发射成功率是91.5%。

记者:长征三号甲系列运载火箭被誉为“金牌火箭”。您曾担任该系列火箭的总指挥兼总设计师,请您谈谈“金牌火箭”是如何研制出来的?

龙乐豪:首先,长征三号甲系列火箭是设计出来的。我们朝着系列化、通用化、模块化、世界一流的目标来设计该系列火箭,起点比较高,具有前瞻性。其地球同步转移轨道运载能力为2.5~5.2吨,基本上满足国内发射各类卫星的需求,占领了国内通信卫星发射服务市场绝大部分比例。通过实行“系列化、通用化、模块化”,我们在长征三号甲的基础上“上改下捆”、“先改后捆”,也就是先将上面级进行重新设计,形成长征三号甲火箭,然后在下面捆绑不同数量的助推器,形成长征三号乙和长征三号丙火箭两个新的型号。即捆绑两个助推器就成为长征三号丙火箭,如果捆绑四个助推器就成为长征三号乙火箭。这样做,既快又省钱,还可靠。到目前为止,长征三号甲系列火箭的发射次数约占我国火箭发射次数的三分之一,发射国外卫星的数量占我国火箭发射国外卫星数量的一半左右,是我国主力火箭之一。
其次,长征三号甲系列火箭是制造出来的。该火箭的制造工艺技术要求比较高,我们的工艺经过不断磨合之后比较成功。比如,火箭三级发动机螺旋式喷管焊接工艺制造要求高,这项工艺经过不断磨合,不断试验,反反复复地考核,已经比较成熟。“大国工匠”高凤林团队在这方面功不可没。
第三,长征三号甲系列火箭是不断锤炼出来的。运载火箭技术的成熟经历了千锤百炼。1993年长征三号甲火箭在发射场进行第一次合练的时候,发现大大小小的问题有123个,我们一个个进行排查和解决。今天的长征三号甲系列火箭有时在发射场合练一个问题也没有。长征五号火箭合练中发现的问题也不到20个。这些成绩是逐渐积累的结果,说明我们的运载火箭技术在不断地进步。从此看出,经过这么多年的磨练和不断完善,火箭的可靠性越来越高,性能也越来越好。

记者:请您介绍一下我国新一代运载火箭的性能和特点。

龙乐豪:我国新一代运载火箭包括长征五号、长征六号、长征七号及长征十一号。从火箭运载能力大小顺序来说,长征六号属于小型火箭,长征七号属于中型火箭,长征五号属于大型火箭。早在二三十年前,我们就提出了新一代大型运载火箭的设计方案,这就是长征五号。后来,又觉得还应该研制新一代小型火箭,于是有了长征六号。为了让未来货运飞船能够由新一代火箭送入太空,逐步淘汰有污染的长征二号F火箭,我们研制了替代的新型号,即具有中等运载能力的长征七号火箭。
对于长征六号火箭,按照最初的定位,是用于发射小卫星,低轨运载能力在500千克以下,但是随着市场需求的变化,长征六号也可以捆绑两个或四个助推器,增加其运载能力。
长征七号火箭就是瞄准运载货运飞船到低地轨道,以替代长征二号F火箭。它采用两级半构型,低轨运载能力比长征二号F火箭还要大,达13.5吨,当然也可以发射太阳同步轨道卫星。
长征五号火箭是目前我国运载能力最大的火箭,低轨运载能力是25吨,主要用于发射空间站;也能将卫星发射到地球同步转移轨道,相当于把长征三号乙火箭的5.5吨提高到14吨,可以实现“一箭双星”或“一箭多星”发射;另外,也可以将月球探测器送到月球,用于发射嫦娥五号和嫦娥六号探测器等。
长征十一号火箭是一种小型固体运载火箭,起飞质量50吨级,长度20米级,低轨道运载能力200到300千克,是一种快速响应运载火箭,12个小时之内就能完成发射任务,这是目前其他长征系列火箭无法做到的。
此外,我们还设计了长征八号小型运载火箭,从构型来说,实际上就是长征七号的一级加上长征三号甲系列火箭的第三级,而形成的两级火箭,用来替代长征二号丙、长征四号等,是一种高性能、简洁可靠的火箭构型。

记者:今年长征五号火箭将首次发射。对比国际主流运载火箭,我国长征五号的技术特点和优势是什么?

龙乐豪:长征五号火箭是目前我国推力最大或者运载能力最大的运载火箭,它的最大特点,首先是采用环保无污染的推进剂,这不仅符合国家产业发展方针,也符合国际运载火箭发展的主流。
第二,长征五号火箭构型比较简洁,中间采用低密度、高能液氢液氧推进剂,助推器采用高密度、相对比较低能、环保的液氧煤油推进剂。火箭能够利用两级半构型将有效载荷发射到高轨道,利用一级半构型将大型有效载荷发射到低轨道。长征五号B火箭采用一级半构型就能发射20吨级的空间站,也可以将载人飞船送入太空,在世界上这样的构型并不多见。由于构型简洁,减少了一级,因此其固有可靠性更高。
第三,长征五号的研制成功,使我国火箭又重新回归世界一流的火箭群体中。在20世纪90年代中期,以长征三号甲系列火箭的成功为代表,中国火箭在运载能力和技术水平方面,可以说位居世界前列。但是,此后由于长征五号火箭的研制进展比较慢,我国火箭技术水平在世界的排名后退了。现在,长征五号火箭基本上与国外主流火箭包括欧洲的阿里安5,美国的德尔它4、宇宙神5等性能相当。

记者:针对航天运载技术的未来发展趋势,我国制定了哪些运载火箭发展规划?

龙乐豪:目前,我国运载火箭发展规划主要是:第一,是保证新一代运载火箭的首飞成功,这是眼前的主要任务,具体是今年长征七号和长征五号火箭的首飞。
第二,是逐步将在役的运载火箭更换推进剂,也就是把包括长征三号甲系列、长征二号丙、长征二号F、长征四号在内的火箭推进剂改换为无毒的液氧煤油推进剂;同时,在更换推进剂的过程中,逐渐用新一代火箭替换老的运载火箭,目前的方案是将长征八号火箭捆绑两个或四个助推器,可以替代长征二号和长征四号等火箭,将原来的三级半构型改为两级半构型。
第三,是研制重型运载火箭,为我国未来的空间太阳能电站以及载人登月或者更大规模的载人深空探测的运载器做准备。重型运载火箭的论证已经有很长时间了。目前,该火箭的芯二级有两种方案:一种是两级都是液氢液氧推进剂,加上四个大的固体助推器,属于两级半构型;另一种方案是采用三级半构型,芯一级推进剂是液氧煤油,芯二级和芯三级推进剂是液氢液氧,捆绑液氧煤油助推器。现在我们正在做前期关键技术深化论证和攻关。
第四,是探索可重复使用航天运输系统的关键技术。所谓可重复使用,应该是完全重复使用,而不是部分重复使用,最高的境界是实现单级入轨、完全可重复使用。目前,英国的“佩刀”计划正在朝这个方向努力,在突破关键技术,并且有了一些进展。我国在该领域的研究才刚刚开始,初步确定是从两级入轨、部分重复使用开始着手,具体来说,是用两级火箭送入轨道,一子级部分重复使用,二子级不考虑重复使用。可重复使用运载系统应该采用组合式动力,既有火箭发动机,又有冲压发动机等,未来的重复使用技术应该是航天技术和航空技术的高度融合。

记者:重复使用运载器是目前的研究热点之一,您如何看待重复使用运载器的发展?

龙乐豪:对于重复使用运载器的问题,我的看法有两点。第一,重复使用是个方向,值得肯定,我们应该进行这方面的探索和研究。但是我认为,现在国内媒体对美国猎鹰9火箭研制试验反应过度,溢美之词太多。美国研究重复使用技术的目的是为了降价,但是否能达到预期目的,目前还很难说。当年美国研制航天飞机目的很明确,就是要重复使用50次,价格降到原来的五分之一。航天飞机曾经辉煌一时,技术也很先进,可是飞行了135次以后,不得不退出历史舞台,主要原因就是目标太高,实际的工艺技术水平达不到,要保证航天飞机的正常运行付出的代价不比一次性使用运载器节省多少。第二,当前我们迫切需要解决的是,发射火箭时能够做到助推器或一子级可控回收,使助推器或一子级的降落地点控制在一个安全区域内,不要伤害到老百姓生命安全。然后才是考虑降价和回收的问题。我们应该朝这个方向努力,掌握重复使用这项技术。

《中国航天》2016年第5期
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