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Space Exploration - - Contents - □陈海鹏

进博会:好风凭借力合作谋共赢

近期,在第十二届中国国际航空航天博览会上,中国重型运载火箭作为中国新一代运载火箭中的重要一员与公众见面。

实施重型火箭研制计划,究竟意在何处?重型火箭作为化学推进运载火箭的巅峰之作,其研制难在何处?

航天界有一个共识,那就是“运载火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大”。这句话生动形象地阐述了运载火箭与太空探索之间的逻辑关系,清晰地说明运载火箭作为太空探索活动基础和前提的重要性。其实,发展重型火箭有三大驱动力。动力之一是来自探索浩瀚宇宙的认知驱动力。人类总是在梦想探索无穷无尽的宇宙奥秘,总想走向更深更远的太空,无论是载人登月、载人登火,还是建设月球基地、深空基地,如果我们期望实现更大规模的进入太空,重型火箭就是一种可行或者说唯一的解决方案。

动力之二是来自实现技术发展的创新驱动力。重大工程带动技术进步,重大技术进步反过来又促进重大工程发展,重型火箭将促进航天技术全面升级,带动新设计、新材料、新工艺、新制造、新器件等各行业技术进步。

动力之三是来自解决重大问题的现实驱动力。当前,各个国家提出了多种重型火箭应用场景,概括起来主要包括:空间太阳能电站和小行星采矿等能源再生场景、火星移民等新生存环境场景、天基发射等科学探索场景,这些应用场景均是面向未来的现实问题,如果现在不考虑解决方案,等到若干年后可能就真的拿不出解决方案了。

重型火箭被称作“火箭之王”。何谓重型火箭?一般情况下,近地轨道运载能力在50 吨级及以上的运载火箭为重型运载火箭。其研制难度大已经成为业内 共识。由于运载能力大幅增加,重型运载火箭在研制中会遇到很多小型、中型及大型运载火箭所没有遇到的问题。

一是大动力问题。发动机是运载火箭提供进入空间的动力,重型运载火箭起飞规模一般在2000 ~ 4000 吨左右,这就要求基础级发动机需要提供 3000 ~ 5000 吨以上的动力,几百吨级别的大推力发动机研制势在必行。研制过程中大推力火箭发动机的燃烧不稳定性、大功率涡轮泵、高压预燃室等每一个都是难关,非经历艰难险阻难以实现。

二是大结构问题。由于运载能力、箭体直径、载荷、火箭长细比之间的耦合关系,重型火箭的箭体直径一般在 10 米左右。而且火箭结构需要解决轻质量与高效率之间的矛盾,要求用极轻的结构质量承载更大的载荷。因此,在重型火箭研制中,大结构问题相当突出。大结构将带来一系列与设计、材料、工艺、工艺装备等有关的新问题和关键制造技术。与大结构直接相关联的还有火箭运输和发射问题,运输方案制定、发射场选址、发射方式选择都将成为工程实施中必须解决的难题。

三是大试验问题。运载火箭需要试验科学和试验技术相结合,地面试验越充分,火箭飞行越可靠。但是,面对 10 米左右直径、百米左右高度的庞然大物,如何完成动特性获取、整流罩分离、助推器分离、动力系统试车等重要的试验考核项目成为重要难题。传统的实物试验验证似乎遇到了关卡,所以新的虚拟试验、数字试验将成为解决问题的关键途径。

除大动力、大结构、大试验三大难题之外,在重型火箭研制中还有可能遇到一些以前不曾遇到或者曾经解决但是面临新情况的机理问题。

因此,对于重型运载火箭研制者来说,不畏其难、不畏其险,攻其艰难险阻方可攀越高峰。★

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