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发表于 2003-11-6 11:37:41
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火箭发动机
新火箭发展动向 （转自《中国航天》）
国外新型运载火箭研制 计划与发展现状
□□20世纪90年代中期，美、欧、日、俄开始研制新一代运载火箭。至今，这些火箭的研制已取得了重大发展。新型运载火箭的型号种类高达20余种，其中既包括中小型运载火箭，又包括大型或超大型运载火箭。由于具有更高的性能和更低的发射价格，因而新型运载火箭的陆续登场必将对未来的国际航天发射市场产生重大影响。
1 美国“改进型一次性使用运载火箭”计划
1.1 计划背景
1994年，美国空军提出研制“改进型一次性使用运载火箭”（EELV）。其任务是，通过竞争的方式选择方案并在21世纪初研制成功一系列可以代替现役“大力神”、“德尔他”和“宇宙神”运载火箭的新型一次性使用运载火箭。新的运载火箭由工业部门负责经营，它们既可以承担商业发射任务，又能承担政府部门的各种发射任务，发射价格要求比美国现役运载火箭低25%～50%。
1995年，此计划正式获得批准，整项计划的预计投资金额为20亿美元。波音公司、麦道公司（现已被波音公司兼并）、洛马公司和联合技术公司共同参与了初期阶段的竞标工作。最后，波音公司和洛马公司的德尔他－4和宇宙神－5运载火箭方案终获成功。1998年9月，两家公司的设计方案通过评审。随后，开始分头生产并试验首枚EELV。1.2 波音公司的德尔他－4运载火箭方案
德尔他－4系列运载火箭由5种型号组成：德尔他－4M、德尔他－4M+(4,2)、德尔他4M+(5,2)、德尔他－4M+(5,4)和德尔他－4H。每种德尔他－4运载火箭均以公用芯级为基础，采用2级或2级半结构。公用芯级直径5m，发动机使用波音公司下属单位洛克达因公司研制的RS-68单燃烧室液氢液氧发动机。这种发动机采用燃气发生器技术，具有适当的燃烧室压力，海平面推力达到2 900kN左右。
在5种德尔他－4运载火箭中，较小的德尔他－4M运载火箭采用“公用芯级+4m直径2子级+4m直径整流罩”结构。其4m直径2子级由德尔他－3运载火箭2子级改进而来，它通过增加推进剂贮箱的长度和推进剂的质量等措施，使2子级的性能得到提高。这种运载火箭具有4.2t的地球静止转移轨道（GTO）运载能力。德尔他－4M+(4,2)运载火箭在德尔他－4M火箭的公用芯级上额外增加了2个固体捆绑助推器，这样使德尔他－4火箭的GTO运载能力提高到5.8t。德尔他－4M+(5,2)运载火箭与德尔他－4M+(4,2)火箭相比，在箭体结构上主要具有以下两点不同：（1）用5m直径的2子级更换了4m直径的2子级；（2）采用5m直径整流罩。经过改进后，这种火箭的GTO运载能力达到4.6t。而德尔他－4M+(5,4)运载火箭是在德尔他－4M+(5,2)火箭上额外增加2个固体捆绑助推器，因而它的GTO运载能力获得更进一步的提高，达到6.5t。最大型的德尔他－4H运载火箭以2个公用芯级作为捆绑助推器，采用同样的5m直径2子级，GTO运载能力达到13t，它不仅能够发射特大型GTO有效载荷，还能够同时发射两颗较大的主要有效载荷。
波音公司准备发射的第1枚EELV是德尔他－4M+(4,2)运载火箭。2001年夏季，这枚火箭开始进入美国东部的卡纳维拉尔角发射场进行现场试验，并计划于2002年第4季度执行第1次发射任务，这同时也是德尔他－4运载火箭的第1次商业发射任务，届时它将为欧洲通信卫星公司发射1颗Eutelsat W5商业通信卫星。最大型的德尔他－4H运载火箭计划2003年进行鉴定飞行。目前，德尔他－4运载火箭已获得了22份美国空军的发射订单。
1.3 洛马公司的宇宙神－5运载火箭方案
洛马公司于2002年8月21日进行了宇宙神－5火箭的首次发射。这次发射原定于8月12日进行。之所以推迟发射，是因为要准备火箭的有效载荷——欧洲通信卫星公司的热鸟－6卫星。
宇宙神－5系列运载火箭由400和500两个子系列组成。400系列采用4m直径整流罩，它可以捆绑0～3个固体捆绑助推器（每个助推器可以提供1 360kN的推力），而500系列采用5m直径整流罩，可以捆绑0～5个相同的固体捆绑助推器。所有的宇宙神－5系列运载火箭均以“宇宙神”公用芯级和“半人马座”上面级作为主要的共用模块。“宇宙神”公用芯级直径3.81m，采用1台俄罗斯研制的双燃烧室RD-180型液氧煤油主发动机，它可以提供约3 800kN的海平面推力；“半人马座”上面级直径3.05m，可以同时采用1台或2台普拉特&惠特尼公司生产的RL10A-4-2液氢液氧发动机，每台发动机可以提供99.2kN的推力。RD-180发动机和半人马座上面级已在宇宙神－3运载火箭的发射过程中得到验证。宇宙神－5的400系列运载火箭具有5～7.6t的GTO运载能力，而宇宙神－5的500系列运载火箭具有4～8.7t的GTO运载能力。
宇宙神－5的500系列运载火箭计划在2003年年底之前进行首次发射。今后，还得研制特大型的宇宙神－5H火箭，它采用2
个公用芯级作捆绑助推器，GTO运载能力超过10t。
2 欧洲阿里安－5运载火箭改进计划
2.1 计划背景
1987年11月，欧空局部长级会议正式批准阿里安空间公司研制世界上第1枚“大直径、少级数”大推力运载火箭——阿里安－5运载火箭。1996年6月4日阿里安－5运载火箭首次鉴定发射，但不幸遭遇失败；1997年10月30日，阿里安－5运载火箭进行第2次鉴定发射时终于获得成功，成为世界上运载能力最大的商用运载火箭。然而，由于它的发射价格昂贵（目前每枚阿里安－5运载火箭的平均发射价格达到1.5亿美元），而且运载能力还有待进一步提高，因此，自从1995年开始欧空局又提出了进一步改进阿里安－5运载火箭的建议，欧洲先后提出了“阿里安－5发展计划”和“阿里安－5+计划”。这些计划把阿里安－5运载火箭的改进工作分为了3个渐进的阶段。第1阶段集中在低温芯级和固体捆绑助推器的改进；第2阶段集中在两种上面级——可贮存推进剂EPS上面级和ESC-A低温上面级的研制；第3阶段集中在全新ESC-B低温上面级的研制。所有的阿里安－5运载火箭均采用“低温芯级/固体捆绑助推器+上面级”的2级半结构。此外，欧空局还提出了更长远的计划——“阿里安2010计划”，目标是在2010年研制成功一种基于高性能火神－3发动机的超大推力“阿里安”运载火箭，但这项计划必须在前面计划的基础上进行。
2.2 阿里安－5E运载火箭方案
阿里安－5E运载火箭有阿里安－5ESV、阿里安－5ECA和阿里安－5ECB 3种，研制过程分为3个阶段。
第1阶段改进低温芯级和固体捆绑助推器。低温芯级的改进主要集中在“火神”发动机，现役阿里安－5火箭上使用的“火神”发动机真空推力达到1 145kN，而通过提高液氧流速，增加推进剂混合比的方法可将发动机真空推力提高到1350kN，新的发动机命名为火神－2。目前，火神－2发动机已完成了全部的试车试验。固体捆绑助推器在阿里安－5运载火箭的起飞过程中提供大约90%的推力，单个助推器的真空推力达到5 000kN，而通过额外增加有限数量的推进剂（大约2 500kg）、延长发动机喷管和使用先进的焊接技术等措施，可以小幅度提高固体捆绑助推器的助推能力。改进后的低温芯级和固体捆绑助推器应用于3种改进型阿里安－5运载火箭。
第2阶段研制两种上面级，这两项工作是同时展开的。第1种上面级是在现役阿里安－5运载火箭可贮存推进剂EPS上面级基础上改进而来的，改进点主要集中在以下3个方面：（1）增加额外的推进剂；（2）延长发动机喷管长度；（3）重新调整上面级点火时间（芯级分离后，上面级滑行一段时间后才点火，这样可使推力提高200kN左右）。改进后EPS上面级的推力达到29kN，采用这种上面级的阿里安－5E火箭命名为阿里安－5ESV，它具有8t的GTO运载能力（双星发射时为7.3t）。第2种上面级是在阿里安－4运载火箭3子级基础上研制的一种低温上面级——ESC-A。这种上面级的发动机和液氧贮箱全部来自阿里安－4运载火箭3子级，而液氢贮箱是重新设计的。由于考虑到运载火箭的总体长度必须与现有阿里安－5火箭的总装与发射设施相适应，因而液氢贮箱采用热旋压法制成了一端向外凸起，而另一端向内凹陷的非传统式样的外形结构。ESC-A上面级的推力达到63kN，采用这种上面级的阿里安－5E火箭命名为阿里安－5ECA，它具有10.5t的GTO运载火箭能力（双星发射时为10t）。这两种运载
火箭计划在2002年下半年首次发射。
第3阶段研制新的ESC-B低温上面级。这种上面级中包括发动机等在内的多种主要部件全部是重新设计的，新的发动机命名为“VINCI”，它采用膨胀循环和液氢液氧高压点火等新技术，并且可以最多重复点火5次，推力达到150～180kN。采用这种上面级的阿里安－5E运载火箭命名为阿里安－5ECB，它具有12t的GTO运载能力（双星发射时为11t）。这种火箭计划2005年左右首次发射。
3 俄罗斯“安加拉”运载火箭计划
3.1 计划背景
1994年8月，俄罗斯国家航天局指派俄罗斯赫鲁尼切夫国家科研生产中心研制新一代运载火箭。起初，赫鲁尼切夫国家科研生产中心打算在乌克兰天顶号运载火箭基础上开发新的运载火箭，并在1995年6月完成了基于这种设想的初步设计方案，但后来遭到了否决。1998年4月，才最终完成了现在的“安加拉”（Angara）系列运载火箭设计方案。
3.2 “安加拉”系列运载火箭方案
“安加拉”系列运载火箭包括5种型号：小型安加拉－1.1、1.2，中型安加拉－3，大型安加拉－5、5-UOHB。每种“安加拉”火箭均以直径为3.9m的公用芯级为基础，并采用1台推力达2 000kN的RD-191M液氧煤油主发动机。在小型“安加拉”运载火箭中它只作为芯级使用，而在大中型“安加拉”火箭中它既作为公用芯级，又作为捆绑助推器，而且未来还将推出可重复使用的“贝加尔”芯级/助推级。
安加拉－1.1运载火箭采用“公用芯级+微风KM上面级”结构，只用于发射低地球轨道有效载荷，运载能力达到2t。安加拉－1.2运载火箭在安加拉－1.1火箭基础上增加了新的联盟－2或联盟－ST火箭2子级，同样只用于执行近地轨道发射任务，运载能力达到3.7t。安加拉－3运载火箭采用由“3个公用芯级+联盟－2/联盟－ST火箭2子级+微风上面级”结构，它具有14t的近地轨道运载能力，2～2.5t的GTO运载能力。安加拉－5运载火箭在安加拉－3火箭基础上增加了两个作为捆绑助推器的公用芯级，而且2子级不仅可以使用微风上面级，还能使用新的KVRB上面级，采用这两种上面级时“安加拉”火箭的GTO运载能力分别为5.8t或6.8t。安加拉－5-UOHB运载火箭用全新的低温2子级代替了联盟－2/联盟－ST火箭2子级，新的2子级设计真空推力达294 kN，它可以使安加拉－5-UOHB火箭的GTO运载能力达到8t。采用一次性使用公用芯级的小型“安加拉”运载火箭原计划2001年首次发射，但现已推至2003年。此外，2004年或2005年，俄罗斯还将试飞以“贝加尔”芯级/助推级作为芯级的小型“安加拉”运载火箭。在2001年召开的巴黎航展上，俄罗斯首次展出了“贝加尔”芯级/助推级试验样件，它的外型尺寸与实际的“贝加尔”芯级/助推级完全一致，外形酷似飞机，上面除装有1台RD-191M火箭发动机外，还装有用于返航飞行和着陆的喷气式飞机发动机和着陆装置。据称，采用这样的芯级/助推级可使“安加拉”运载火箭的成本降低30%。
4 日本H－2A运载火箭计划
4.1 计划背景
1995年，日本宇宙开发事业团获得日本空间活动委员会批准开始研制H－2A系列运载火箭。此前，日本宇宙开发事业团曾成功研制了H－2运载火箭，但由于这种火箭的发射价格太高，每枚H－2运载火箭的发射价格高达1.7亿美元，甚至超过了阿里安－5运载火箭的平均发射价格，而它的运载能力远不及对方，GTO运载能力只有4t，所以H－2运载火箭在国际商业卫星发射市场中不具备竞争优势。此外，1998年和1999年H－2运载火箭连续两次发射失败，这更加促使日本政府决定停止生产H－2运载火箭，转而全力研制H－2A运载火箭。H－2A运载火箭除具有较低的发射价格外（标准型H－2A运载火箭的发射价格只有H－2运载火箭的一半），而且还具有良好的可靠性，可以满足未来的国际空间站发射任务和HOPE-X验证机发射等。
截至今日，H－2A运载火箭已完成了3次鉴定飞行。2001年8月29日，首枚标准型H－2A运载火箭（编号为H－2A-202）在种子岛发射场发射成功，将1颗模拟卫星送入了轨道。2002年2月4日，第2枚H－2A运载火箭（编号为H－2A-2024）顺利点火升空。此次箭上携带了3个有效载荷：任务验证试验卫星－1（MDS-1）、“超高速大气层再入系统实验仪”（DASH）和火箭评估有效载荷－3（VEP-3）。同年9月10日，第3枚H－2A把USERS和DRTS卫星送入预定轨道。11月，它还将进行第4次发射。
4.2 H－2A系列运载火箭方案
H－2A系列运载火箭分为标准型和增强型两种。二者的主要区别在于：前者不使用助推能力较强的液体火箭助推器，而后者使用1或2个这样的助推器。组成各型H－2A运载火箭的公用模块包括：公用芯级（直径4m）、2子级、液体火箭助推器（LRB）、大型固体助推器（SRB-A）和小型固体助推器（SSB）等。按照不同的组合情况，日本宇宙开发事业团计划开发5种型号的H－2A运载火箭，它包括：H－2A-202、2022、2024、212和222。其中前4种火箭正处在研制或发射鉴定阶段，而最大型的H－2A-222还处在研究阶段，作为未来计划开发的一种火箭型号。不采用2子级的H－2A-1024型火箭专门用于发射HOPE-X验证机。
H－2A运载火箭均采用2级半结构（除发射HOPE-X验证机的情况），包括芯级和2子级在内的主体箭体结构相同，而且芯级、2子级和LRB全部采用液氢液氧发动机，各型H－2A运载火箭的主要区别在于捆绑的助推器数量与型号不同。H－2A-202运载火箭使用了两个SRB-A助推器，它的GTO运载能力达到4.1t；H－2A-2022运载火箭在H－2A-202火箭上增加了两个SSB助推器，其GTO运载能力提高到4.5t；H－2A-2024在H－2A-202火箭上增加了4个SSB助推器，它的GTO运载能力达到5t；H－2A-212运载火箭在H－2A-202基础上增加了1个LRB，LRB采用两台LE-7A液氢液氧发动机，这种发动机的真空推力为1 100kN（单台），同样应用于公用芯级，但芯级上只使用了1台这样的发动机，其采用5m直径整流罩，GTO运载能力达到7.5t，计划2005财年鉴定发射。
5 结论与建议
5.1 争先研制新型运载火箭
20世纪70、80年代，由于商业卫星发射市场的迅速发展，世界各国的商用运载火箭曾呈现出供不应求的局面，这主要表现在两个方面：① 运载火箭的运载能力有限，一定程度上制约了商业通信卫星的发展；② 运载火箭的发射数量有限。为此，长期以来，欧洲、俄罗斯和美国等都相继改进或研制了新的运载火箭。起初，他们都把工作重点集中在运载火箭改进方面，先后在80年代和90年代推出了多种改进型号的运载火箭，如宇宙神－2A(S)、阿里安－4、质子－K/M等，它们延续了旧型运载火箭的箭体结构和主要技术。这些火箭在很大程度上缓解了潜在的市场需求，也使国际航天发射市场慢慢摆脱了供不应求的局面，但却导致了激烈的市场价格竞争。为了适应这样的市场变化，欧洲、美国、俄罗斯和日本自从20世纪90年代中期开始陆续研制低成本运载火箭。如上所述，在降低成本方面，他们全部采用了有效的“三化”（系列化、标准化、模块化）方案。此外，还兼顾了“环保”和高可靠性要求，推进系统全部采用无毒、无污染燃料，箭体结构全部采用少级数结构，有些还采用大直径芯级，使运载火箭的刚度和强度获得了很大提高。市场需求与市场竞争最终推动了新型运载火箭的研制。
5.2 面临着更加激烈的市场竞争
2001年8月，日本的H－2A运载火箭首次发射成功。继其之后，美国的EELV、欧洲的阿里安－5E、俄罗斯的“安加拉”运载火箭都将在近一两年内首次发射，并在2005年左右形成一定的生产规模。新的运载火箭投入使用之后，原有的旧型运载火箭，如德尔他－2、3、宇宙神－2、3、阿里安－4和质子号火箭等都将逐步退出国际航天发射市场，新一代运载火箭将主宰这一市场。
在国外大批新型运载火箭投入使用之前，我国的“长征”系列运载火箭一直都是以绝对的价格优势来开拓国际航天发射市场的。粗略计算，“长征”系列运载火箭的整体发射价格比世界其他各国运载火箭的平均发射价格低30%～50%。例如，长征－3B运载火箭的平均发射价格为0.5亿～0.6亿美元，而性能与其相当的阿里安－44L和质子－K运载火箭的平均发射价格为0.9亿美元，故“长征”火箭的价格优势十分明显。
然而，国外大批新型运载火箭投入使用之后，国际航天发射市场的整体发射价格将获得大幅度降低，估计降幅达到30%左右。那时，“长征”运载火箭将不再具有明显的价格竞争优势。我们同样以长征－3B运载火箭为例，国外正在研制的与其性能相当的运载火箭有德尔他－4中型和宇宙神－5中型运载火箭，这些火箭的平均发射价格在0.65亿～0.9亿美元之间，并且将于2002年投入使用。也就是说，自从2002年末开始，“长征”运载火箭的价格优势将逐步消失。
价格优势不明显，而且运载能力无法获得更进一步的提高，是导致“长征”运载火箭在新世纪初面临更加激烈的市场竞争的主要因素。
5.3 重点支持竞争力强的火箭
作为我国性能最优的运载火箭，长征－3B运载火箭是参与国际航天发射市场竞争的主要运载工具，也是我国立足航天发射市场并为新一代运载火箭进入市场奠定基础的最佳选择。目前，“长征”系列运载火箭的型号过多，而各型号的发射数量较低，有些型号性能相近，这些都会分散“长征”系列运载火箭的优势，不利于对外竞争。因此减少对外发射服务的型号，重点支持竞争能力较强的火箭，提高重点型号的性能、可靠性，并降低成本，将有助于提高“长征”系列运载火箭在国际航天发射市场中的地位。
此外，我国还应顺应世界航天运输业的发展潮流，积极开发研制新一代无毒、无污染、易操作和低成本的系列运载火箭。近年来，我国一直在论证新一代运载火箭计划。经过多年的讨论，最终确定了以“三化”原则为基础研制新一代运载火箭的初步技术方案。在开发研制新一代运载火箭时，我们必须注意集中力量，抓紧进度，争取在2005年前发射第1枚主要的新型运载火箭，并在2010年之前，形成生产规模。■
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IP卡
狗仔卡
发表于 2003-10-29 21:49:53
提升卡
置顶卡
沉默卡
喧嚣卡
变色卡
显身卡
发表于 2003-10-30 18:27:46
