月球是我們藍(lán)色星球的近鄰，也是人類邁向更遠(yuǎn)深空的中轉(zhuǎn)站。目前，我國正在進(jìn)行月球探測的四期工程。前不久，中國載人登月也有了時間表，我國新一代載人火箭預(yù)計2027年首飛，在2030年前還將實現(xiàn)中國人首次登陸月球。
航天發(fā)展，動力先行。近日，航天科技集團(tuán)六院研制的我國載人登月火箭主力發(fā)動機(jī)——130噸級泵后擺液氧煤油發(fā)動機(jī)完成上試車臺后的第六次試車，發(fā)動機(jī)累計試車時長達(dá)到3300秒，工作時長超10余倍任務(wù)時間，驗證了發(fā)動機(jī)工作可靠性的同時，再次創(chuàng)造我國百噸級發(fā)動機(jī)單臺試車新紀(jì)錄。
火箭大推力發(fā)動機(jī)的研制有多難？為什么要反復(fù)進(jìn)行“試車”？未來能不能有超千噸推力發(fā)動機(jī)能助力中國航天邁向更加深邃的太空呢？
【資料圖】
什么是“火箭發(fā)動機(jī)點火試車”？
首先來給“登月火箭主力發(fā)動機(jī)”劃個重點。發(fā)動機(jī)是核心部件，是一枚火箭的“心臟”。心臟的動能越大、力量越足，就能帶領(lǐng)重型火箭去更高軌道的太空探索。這一次，我國載人登月火箭主力發(fā)動機(jī)單臺試車時長創(chuàng)下新紀(jì)錄，就是中國航天動力事業(yè)對“大推力”發(fā)動機(jī)技術(shù)驗證的又一次跨越。
到底什么是“火箭發(fā)動機(jī)點火試車”呢？發(fā)動機(jī)試車，簡單來說，就是發(fā)動機(jī)點火并驗證其設(shè)計方案合理性和工藝可靠性的過程，這是任何一型發(fā)動機(jī)研制和交付等環(huán)節(jié)中不可或缺的重要一環(huán)。所謂“試車”，其實種類多達(dá)幾十種，會貫穿發(fā)動機(jī)研制前后的各個階段，每個階段的試車都有不同的意義，點火時長也從幾秒到數(shù)百秒不等。
專家表示，在某一型發(fā)動機(jī)的研制階段，發(fā)動機(jī)會完成從單個組件試車到全系統(tǒng)試車的一整套復(fù)雜的流程，小到一個閥門，大到一臺完整的發(fā)動機(jī)，都需要經(jīng)歷千錘百煉。在研制階段過后，發(fā)動機(jī)試車將會進(jìn)入鑒定階段。完成鑒定階段的試車之后，這一型發(fā)動機(jī)便可以交付火箭使用了，但是這并不代表試車的結(jié)束，每一臺發(fā)動機(jī)都需要在試車臺上“熱一下身”才能達(dá)標(biāo)。隨著我國航天事業(yè)的不斷進(jìn)步，試車臺上也越來越忙碌。
固體火箭發(fā)動機(jī)和液體火箭發(fā)動機(jī)有何特點？
發(fā)動機(jī)是火箭的核心部件，目前主流的運載火箭發(fā)動機(jī)主要分為液體火箭發(fā)動機(jī)和固體火箭發(fā)動機(jī)。那么，這兩種發(fā)動機(jī)都有什么特點？
固體火箭發(fā)動機(jī)顧名思義，就是使用固體燃料作為推進(jìn)劑的火箭發(fā)動機(jī)，與之相對應(yīng)的是液體火箭發(fā)動機(jī)，它們的工作原理相同，都是通過點燃推進(jìn)劑產(chǎn)生巨大推力，將航天器送入幾百甚至上萬公里的預(yù)定軌道。
有所不同的是，固體發(fā)動機(jī)主要使用的丁羥這種固體燃料，也就是一種高能火藥，長征十一號運載火箭使用就是固體燃料。而液體發(fā)動機(jī)主要使用液氫液氧等液體推進(jìn)劑，大家熟知的長征五號火箭使用的就是液氫液氧。
由于使用的燃料不同，因此各自的特點也不相同。液體發(fā)動機(jī)具有可控性強(qiáng)、點火時間長等特點，而固體發(fā)動機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡單、機(jī)動靈活、瞬間推力大等優(yōu)勢。而在未來，基于兩者優(yōu)勢相結(jié)合的發(fā)動機(jī)組合模式，也將成為新的設(shè)計思路，這也是世界航天大國都在致力發(fā)展的方向。
載人登月 火箭發(fā)動機(jī)需要多大推力？
在幾天前，5月30日9時31分，搭載神舟十六號載人飛船的長征二號F遙十六運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點火發(fā)射并取得圓滿成功，而這一次搭載神十六航天員乘組奔赴太空之家的，就是我們最熟悉的中國載人航天的“神箭”——長征二號F系列，是當(dāng)之無愧的“太空專列”。
長征二號F運載火箭，全長約58.3米，捆綁了4個助推器，起飛重量大約500噸，火箭渾身上下大約90%的重量來自它攜帶著的燃料，這些燃料可以讓它在大約580秒的全程加速中達(dá)到每秒7.9公里的第一宇宙速度。
新一代載人火箭和重型火箭研制有序推進(jìn)
此時此刻，中國空間站在位于距離地球400公里的軌道上運行，可是地球和月球之間的平均距離有38.44萬公里，這就需要搭載更強(qiáng)勁“心臟”的新一代載人火箭的助力。我國正在論證載人登月方案，新一代載人運載火箭也預(yù)計將在2027年具備首飛條件。不遠(yuǎn)的將來，中國航天員將有望登陸月球，后續(xù)還將建造國際月球科研站。想完成這些任務(wù)，火箭到底需要多大推力？還需要哪些新要求呢？
據(jù)介紹，新一代載人火箭的箭體直徑與長征五號運載火箭相當(dāng)，通過將已經(jīng)成熟的火箭技術(shù)進(jìn)行綜合運用，將滿足我國載人登月的任務(wù)需求。
中國工程院院士、航天科技集團(tuán)一院長征系列火箭總師顧問 龍樂豪：相當(dāng)于三個長征五號的芯一級，把它捆綁起來，每一個芯級是三個組合體并聯(lián)的，每一個組合體上有7臺發(fā)動機(jī)，每一臺發(fā)動機(jī)推力將近120噸，就這么一個龐然大物。當(dāng)然還有二級，這樣就把三個中國人分兩次發(fā)射，近地軌道的運載能力可以達(dá)到70噸左右，地月轉(zhuǎn)移軌道的能力，就是地球到月球的轉(zhuǎn)移軌道的運載能力大約是27噸，這樣可能分兩次發(fā)射，將實現(xiàn)三個中國人在2030年以前登上月球。
同時，龍樂豪院士介紹，我國重型運載火箭也正在研制中，它箭體直徑達(dá)到10.6米，高度110米左右，低軌道的運載能力可以達(dá)到150噸以上，地月轉(zhuǎn)移軌道的能力達(dá)到50噸以上，這將是未來運載能力最強(qiáng)的火箭。
中國工程院院士、航天科技集團(tuán)一院長征系列火箭總師顧問 龍樂豪：這樣一個火箭超過了可以說是歷史上所有的火箭的運載能力，將來除了實現(xiàn)我們更遙遠(yuǎn)的，比如說載人火星探測，還有建立月球基地，甚至于將來直接民用，就讓它建造空間太陽能電站來運輸，現(xiàn)在進(jìn)展都還不錯，具體這個模樣都做出來了，生產(chǎn)出來了，一二三級的發(fā)動機(jī)都已經(jīng)相應(yīng)做過了全系統(tǒng)的短程的熱試車考核，也就是說具體方案都已經(jīng)定了。
更大推力火箭研制有何進(jìn)展？
實際上，我國自主研制的火箭發(fā)動機(jī)一直在頻傳捷報。
去年11月，由航天科技集團(tuán)六院自主研制的中國最大推力液體火箭發(fā)動機(jī)首次整機(jī)試車圓滿成功。該型發(fā)動機(jī)設(shè)計推力500噸級，也是世界上推力最大的雙推力室高壓補(bǔ)燃液氧煤油發(fā)動機(jī)。據(jù)介紹，500噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)的推力是現(xiàn)役120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)的4倍。首次整機(jī)試車的成功，標(biāo)志著該型發(fā)動機(jī)研制取得重大突破。
去年底，由航天科技集團(tuán)六院自主研制的我國推力最大的80噸級液氧甲烷發(fā)動機(jī)首臺整機(jī)熱試車取得圓滿成功，為我國商業(yè)航天運載火箭提供主動力，同時也為可重復(fù)使用運載器發(fā)展奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。發(fā)動機(jī)的推力有多大，航天的舞臺就有多大。動力技術(shù)有了巨大發(fā)展，相信中國航天事業(yè)就會實現(xiàn)更大跨越。
我國載人登月準(zhǔn)備工作推進(jìn)到哪個階段？
距離2030年還有不到7年時間，我國載人登月現(xiàn)在的準(zhǔn)備已經(jīng)到哪個階段了？接下來要分幾步去實現(xiàn)登月？來聽中國載人航天工程辦公室主任助理季啟明的介紹。
中國載人航天工程辦公室主任助理 季啟明：實現(xiàn)2030年前中國航天員登陸月球，當(dāng)前我們已經(jīng)完成了登月任務(wù)的相關(guān)飛行器的關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)和方案的研制，當(dāng)然也完成了登月總體方案的論證和編制，這是當(dāng)前的進(jìn)展。
至于未來7年，我想應(yīng)該是分成三個大的階段：第一階段就是要完成各項研制和建設(shè)任務(wù)，這里面包括完成新一代的載人運載火箭、新一代的載人飛船、登月的月面著陸器，還包括登月服、載人月球車等等飛行產(chǎn)品的研制，還有補(bǔ)充建設(shè)文昌航天發(fā)射場，以及測控通信著陸場等相關(guān)的地面設(shè)備設(shè)施。第二階段就要進(jìn)入無人飛行的驗證階段，這個階段如果任務(wù)順利，我們將進(jìn)入第三階段，就是載人登月的飛行階段。
