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(cè)的四期工程。前不久，中國載人登月也有了時(shí)間表，我國新一代載人火箭預(yù)計(jì)2027年首飛，在2030年前還將實(shí)現(xiàn)中國人首次登陸月球。
航天發(fā)展，動(dòng)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(dòng)機(jī)——130噸級(jí)泵后擺液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)完成上試車臺(tái)后的第六次試車，發(fā)動(dòng)機(jī)累計(jì)試車時(shí)長(zhǎng)達(dá)到3300秒，工作時(shí)長(zhǎng)超10余倍任務(wù)時(shí)間，驗(yàn)證了發(fā)動(dòng)機(jī)工作可靠性的同時(shí)，再次創(chuàng)造我國百噸級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)單臺(tái)試車新紀(jì)錄。
火箭大推力發(fā)動(dòng)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(dòng)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(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車”？
首先來給“登月火箭主力發(fā)動(dòng)機(jī)”劃個(gè)重點(diǎn)。發(fā)動(dòng)機(jī)是核心部件，是一枚火箭的“心臟”。心臟的動(dòng)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(dòng)機(jī)單臺(tái)試車時(shí)長(zhǎng)創(chuàng)下新紀(jì)錄，就是中國航天動(dòng)力事業(yè)對(duì)“大推力”發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)驗(yàn)證的又一次跨越。
到底什么是“火箭發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火試車”呢？發(fā)動(dòng)機(jī)試車，簡(jiǎn)單來說，就是發(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火并驗(yàn)證其設(shè)計(jì)方案合理性和工藝可靠性的過程，這是任何一型發(fā)動(dòng)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(shí)種類多達(dá)幾十種，會(huì)貫穿發(fā)動(dòng)機(jī)研制前后的各個(gè)階段，每個(gè)階段的試車都有不同的意義，點(diǎn)火時(shí)長(zhǎng)也從幾秒到數(shù)百秒不等。
專家表示，在某一型發(fā)動(dòng)機(jī)的研制階段，發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)完成從單個(gè)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(gè)閥門，大到一臺(tái)完整的發(fā)動(dòng)機(jī)，都需要經(jīng)歷千錘百煉。在研制階段過后，發(fā)動(dòng)機(jī)試車將會(huì)進(jìn)入鑒定階段。完成鑒定階段的試車之后，這一型發(fā)動(dòng)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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)都需要在試車臺(tái)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(tái)上也越來越忙碌。
固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有何特點(diǎn)？
發(fā)動(dòng)機(jī)是火箭的核心部件，目前主流的運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要分為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。那么，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)都有什么特點(diǎn)？
固體火箭發(fā)動(dòng)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(dòng)機(jī)，與之相對(duì)應(yīng)的是液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，它們的工作原理相同，都是通過點(diǎn)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(dòng)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(zhǎng)征十一號(hào)運(yùn)載火箭使用就是固體燃料。而液體發(fā)動(dòng)機(jī)主要使用液氫液氧等液體推進(jìn)劑，大家熟知的長(zhǎng)征五號(hào)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(diǎn)也不相同。液體發(fā)動(dòng)機(jī)具有可控性強(qiáng)、點(diǎn)火時(shí)間長(zhǎng)等特點(diǎn)，而固體發(fā)動(dòng)機(jī)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、機(jī)動(dòng)靈活、瞬間推力大等優(yōu)勢(shì)。而在未來，基于兩者優(yōu)勢(shì)相結(jié)合的發(fā)動(dòng)機(jī)組合模式，也將成為新的設(shè)計(jì)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(dòng)機(jī)需要多大推力？
在幾天前，5月30日9時(shí)31分，搭載神舟十六號(hào)載人飛船的長(zhǎng)征二號(hào)F遙十六運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心點(diǎn)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(zhǎng)征二號(hào)F系列，是當(dāng)之無愧的“太空專列”。
長(zhǎng)征二號(hào)F運(yùn)載火箭，全長(zhǎng)約58.3米，捆綁了4個(gè)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(shí)此刻，中國空間站在位于距離地球400公里的軌道上運(yùn)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(yùn)載火箭也預(yù)計(jì)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(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)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(yùn)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(zhǎng)征系列火箭總師顧問 龍樂豪：相當(dāng)于三個(gè)長(zhǎng)征五號(hào)的芯一級(jí)，把它捆綁起來，每一個(gè)芯級(jí)是三個(gè)組合體并聯(lián)的，每一個(gè)組合體上有7臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)，每一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力將近120噸，就這么一個(gè)龐然大物。當(dāng)然還有二級(jí)，這樣就把三個(gè)中國人分兩次發(fā)射，近地軌道的運(yùn)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(yùn)載能力大約是27噸，這樣可能分兩次發(fā)射，將實(shí)現(xiàn)三個(gè)中國人在2030年以前登上月球。
同時(shí)，龍樂豪院士介紹，我國重型運(yùn)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(yùn)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(yùn)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(zhǎng)征系列火箭總師顧問 龍樂豪：這樣一個(gè)火箭超過了可以說是歷史上所有的火箭的運(yùn)載能力，將來除了實(shí)現(xiàn)我們更遙遠(yuǎn)的，比如說載人火星探測(cè)，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(yùn)輸，現(xiàn)在進(jìn)展都還不錯(cuò)，具體這個(gè)模樣都做出來了，生產(chǎn)出來了，一二三級(jí)的發(fā)動(dòng)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(shí)際上，我國自主研制的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一直在頻傳捷報(bào)。
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(dòng)機(jī)首次整機(jī)試車圓滿成功。該型發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)推力500噸級(jí)，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(dòng)機(jī)。據(jù)介紹，500噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的推力是現(xiàn)役120噸級(jí)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的4倍。首次整機(jī)試車的成功，標(biāo)志著該型發(fā)動(dòng)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(jí)液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)首臺(tái)整機(jī)熱試車取得圓滿成功，為我國商業(yè)航天運(yùn)載火箭提供主動(dòng)力，同時(shí)也為可重復(fù)使用運(yùn)載器發(fā)展奠定重要技術(shù)基礎(chǔ)。發(fā)動(dòng)機(jī)的推力有多大，航天的舞臺(tái)就有多大。動(dòng)力技術(shù)有了巨大發(fā)展，相信中國航天事業(yè)就會(huì)實(shí)現(xiàn)更大跨越。
我國載人登月準(zhǔn)備工作推進(jìn)到哪個(gè)階段？
距離2030年還有不到7年時(shí)間，我國載人登月現(xiàn)在的準(zhǔn)備已經(jīng)到哪個(gè)階段了？接下來要分幾步去實(shí)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(shí)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(gè)大的階段：第一階段就是要完成各項(xiàng)研制和建設(shè)任務(wù)，這里面包括完成新一代的載人運(yùn)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(chǎng)，以及測(cè)控通信著陸場(chǎng)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(yàn)證階段，這個(gè)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。
