重型運載火箭總體技術研究

張 智，容 易，秦 曈，孫冀偉

（1.中國運載火箭技術研究院，北京100076；2.北京宇航系統工程研究所，北京100076）

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重型運載火箭總體技術研究

張 智1，容 易2?，秦 曈2，孫冀偉1

（1.中國運載火箭技術研究院，北京100076；2.北京宇航系統工程研究所，北京100076）

重型運載火箭是一個國家進入空間能力的重要標志，也是國家綜合實力的重要體現。結合世界上曾經研制過的重型運載火箭特點，對火箭的總體方案和總體技術進行研究。在總體方案中，首先分析了重型運載火箭的需求，然后根據需求選擇重型運載火箭的構型和動力組成。在總體技術中，通過設計技術、制造技術和試驗技術三個方向，研究了與重型運載火箭密切相關的POGO抑制技術、動特性獲取技術、制造材料的選擇、關鍵部件的制造技術以及動力系統試驗和飛行驗證等試驗技術，并給出了適合我國國情的重型運載火箭發展路徑。

重型運載火箭；總體方案；總體技術；POGO；制造技術；試驗技術

1 引言

運載火箭是一種航天運輸工具，它負責把衛星、載人飛船、空間站、空間探測器等有效載荷送入預定軌道。運載火箭的分類方法有多種，如按級數分為單級和多級火箭、按推進劑類型分為固體和液體火箭等。還有一種是按照運載火箭的運載能力大小進行分類，分為小型、中型、大型和重型（超重型）運載火箭。目前，這種分類方法尚無統一的量化標準，本文中將起飛重量大于2000 t、近地軌道運載能力在100 t級的運載火箭及其衍生構型均稱為重型運載火箭［1］。

世界上曾經飛行過的重型運載火箭包括美國的土星V，蘇聯的N?1、能源號運載火箭，正在研制的有美國的SLS（Space Launch System）運載火箭，這些運載火箭主要應用于大規模深空探索任務或近地軌道大型有效載荷的運輸任務。

重型運載火箭屬國之重器，能夠體現一個國家的綜合實力。它的研制能夠推動科學技術進步、帶動基礎能力提升、培養科技人才隊伍。然而，研制重型運載火箭并建立與之配套的設備、設施，需要大量的人力、物力和財力的支撐，為了避免產生方向性錯誤以保證工程實施的順利進行，先期開展方案論證和技術研究，是必不可少的程序，也是一種負責任的態度。重型運載火箭的總體方案論證及技術研究就是這個階段的重點內容［2?3］。

2 總體方案研究

2.1 需求分析

土星V運載火箭的需求來自于阿波羅登月計劃，阿波羅登月計劃則是出于美國與蘇聯的太空競賽。可以說對土星V的最大需求是“政治”需求，目的只有一個，就是在競賽中取得勝利。阿波羅計劃成功了，在確立了美國太空的領導地位的同時，也極大地帶動了美國科學技術的發展。后來，隨著冷戰態勢趨緩，再加上沒有更大的太空探索計劃，土星V火箭終止了生產。在同一時期，蘇聯研制的N?1火箭也是同一目的，但卻以4次失敗而告終。

之后美國的太空開發重點轉向建造航天飛機，其目的是使美國實現高可靠低成本的進入太空，并將其作為向太空運送國防、科研、應用、民用和商用有效載荷的主要手段［4?5］。從結果來看，航天飛機并未達到預定的高可靠和低成本的目標，試圖用一種運輸系統滿足所有需求的做法被后人詬病。但無論如何，航天飛機在技術上都是個奇跡，它使美國在較長時間內保持了太空優勢。從需求角度看，航天飛機是政治、軍事、應用、經濟需求共同作用的產物。蘇聯開發的能源號火箭和暴風雪號航天飛機，與美國航天飛機的概念基本相同。

目前，美國正在研發SLS重型火箭。它的目標是為近地以遠的深空探測服務，如地月空間、小行星，甚至是載人的火星探測［6］。采用遞進式的發展思路不斷提高技術的先進性，降低對預算的需求。低成本的近地有效載荷發射則交給了商用發射服務。俄羅斯也在持續地研究建造重型火箭的方案，但由于國內經濟發展的滯后，一直未見實施計劃。

從國外重型運載火箭發展歷程來看，對重型運載火箭的需求首先是政治需求，體現綜合國力，振奮民族精神，樹立民族信心，增強凝聚力。其次是科學技術發展需求，包括軍事、民用等諸多方面。

國內對重型火箭的需求研究由來已久。目前，需求主要集中在三個方面：一是戰略需求，即國家安全需要、航天發展需要和航天強國建設需要；二是應用需求，即載人月球探測、深空探測、大型軌道設施等；三是技術發展需求，即提升火箭動力、結構等設計、制造水平，促進我國從航天大國向航天強國邁進。

2.2 構型分析

運載能力的需求決定了重型運載火箭的規模。在已知的需求中以載人月球探測任務對重型火箭的運載能力需求最大，地月轉移軌道（LTO）運載能力大于50 t。

重型運載火箭規模的選取應首先考慮需求因素。火箭構型選取涉及到推進劑類型、級數、直徑等諸多關鍵要素的確定。選取中需要考慮技術繼承性、先進性、帶動性，要考慮技術基礎和工業能力基礎，還要考慮經濟性等約束條件。

2010年至2011年期間，采用DOE（Design of Experiments）方法，對重型運載火箭的構型選擇進行了深入的研究。該方法是將決定構型的技術要素視為變量進行組合確定出滿足運載能力要求的多種構型方案，再根據事先確定篩選原則進行構型選擇。選擇的要素變量包括火箭級數（助推器稱為半級）、各級動力類型、箭體直徑、發動機類型、推進劑加注量等，火箭級數考慮了一級半、二級、三級、二級半、三級半，發動機類型考慮了固體動力、液氧／煤油動力、液氫／液氧動力、乃至液氧甲烷動力。在分析過程中，將從海南發射場發射的落區限制因素也考慮其中。對各種要素組合出的構型（圖2），按照以下原則進行了初步篩選：

1）降低研制和使用的復雜性，剔除由三種或三種以上動力類型組成構型；

2）末級采用高性能動力，即采用液氫／液氧動力，剔除三級采用其它動力類型的構型；

3）當芯一級使用固體動力時，助推器不使用液體動力。

以上的工作結果表明：以液氧／煤油發動機為助推器、芯一級動力，以液氫／液氧發動機為二級、三級動力的三級半構型，以及以固體發動機為助推器動力、以液氫／液氧發動機為一級、二級、三級動力的三級半構型是比較合適的構型。

2012年至2015年期間，伴隨著對載人月球探測、火星取樣返回任務的論證深入，對構型問題又進行了深入的優化研究。這期間的研究工作除細化了重型運載火箭的關鍵技術外，重點研究了系列化問題。研究結果表明，液體助推器構型，更容易通過模塊組合實現多任務、多模式的系列化構型。

2.3 動力選型

火箭總體綜合載人月球探測、火星取樣返回的需求確定了火箭的規模和系列構型。在此基礎上確定了火箭各子級的總推力需求，并進行了優化。在此后的優化論證過程中，火箭總體對動力的研究主要集中在兩個方面，一方面是助推器用固體動力或液體動力的差異性分析，另一方面是液體動力單臺發動機推力大小的優化研究。

固體動力的優點是推進劑密度大、結構簡單，通過多段組合容易實現大推力，且使用操作簡單。最大的缺點是比沖較低，因此一般配合液氫／液氧動力使用［7］。液體動力的優點是比沖高，在構型設計上比較靈活，缺點是結構復雜，使用操作也比較復雜。

固體助推器一般采用耗盡關機的方式，不容易實現同步關機，對火箭飛行的干擾較大，需要芯級火箭有較強的姿態控制能力，而在這方面液體發動機的優勢明顯。另外，液體發動機容易實現飛行過程中的推力調節，能夠降低飛行載荷，提高運載火箭性能。固體發動機也可通過裝藥設計實現變推力，但不如液體發動機可以按照用戶使用需求實時調節。

采用液體助推器的構型，由于芯一級采用了推力較大的液氧／煤油發動機，可以簡單地通過取消兩枚助推器、四枚助推器，形成重型運載火箭的系列化構型，以適應不同任務的需求。采用固體助推器的構型，由于芯一級采用推力較小的液氫／液氧發動機，難以演化出系列化構型。

固體發動機飛行過程中產生的故障，往往是沒有預兆，或者從故障發生到產生災難性后果時間間隔較短，難以檢測。

該項分析還包括了研制難度、技術帶動性、研制保障需求、研制及使用成本等方面的內容，最終的結論是各有優劣。

關于發動機推力大小的優化研究主要在液氫／液氧發動機上［8］。研究表明二子級發動機總推力需求約為400 t，三級發動機總推力需求約100 t。如果將單臺液氫／液氧發動機設計成100 t，則三級使用1臺，二級使用4臺對重型運載火箭來講是合理的選擇。然而，若一種發動機只有一個型號使用，特別是像重型運載火箭這樣發射次數不可能太多的型號使用，將帶來費用高昂、可靠性子樣少等諸多困難。因此，必須考慮新研發動機的未來應用問題。從固體助推器與液氫／液氧芯級構型來看，需要較大地面推力的液氫／液氧發動機，重型火箭提出研制的真空推力200 t級發動機可以為我國未來發展此構型的火箭拓展應用空間。而單臺真空推力100 t級發動機用于芯一級推力偏小，用于其它火箭末級又推力偏大，因而選擇單臺25 t推力的發動機組合使用能夠滿足重型火箭末級的需求，單臺發動機又能滿足其它型號末級使用的要求。雖然從重型火箭構型上看使用了兩種型號的液氫／液氧發動機，增加了型號的研制復雜度，但從全局來看，是一種優化的選擇。

3 總體技術研究

重型運載火箭總體技術包括設計技術、制造技術、試驗技術和發射支持技術等多個方面。本文僅描述對重型運載火箭總體技術方案有較大影響的技術內容。

3.1 設計技術

3.1.1 POGO抑制技術

液體火箭的縱向耦合振動（POGO）是指液體火箭的結構縱向振動與推進系統的液體脈動互相作用而產生的一種自激振動，如圖3所示。

關于POGO問題，國內外都進行過大量研究，包括機理、穩定性分析、試驗和抑制等。POGO現象在20世紀60年代初雙子星計劃中被發現，NASA首次認定POGO對載人飛行器以及航天員是一種威脅［9］。NASA在雙子星計劃、阿波羅計劃中進行了大量的分析工作，1970年形成了關于POGO設計準則、建模、評估的標準［11］。該文概述了當時的技術現狀，提出了設計準則，推薦了數學建模、地面試驗、穩定分析、修改完善和飛行評估方法。在泵入口處安裝蓄壓器被建議作為降低管路共振頻率的最有效方式，但前提是蓄壓器頻率低于結構一階模態。隨著火箭規模的增加，火箭結構一階縱向頻率越來越低，POGO抑制問題愈加嚴峻。

除了全箭結構縱向模態外，火箭的橫向模態和局部模態也能引起POGO現象，如土星V二級中心發動機機架與液氧箱底的振動耦合。各種模態頻率交織在一起，用頻率窗口的設計方法已經很難找到合適的空間。繼續降低管路中的液體頻率，需要使用尺寸龐大的蓄壓器，結構上幾乎難以實現。

無論是采用哪種形式的蓄壓器，都屬于被動控制措施，其目的將管路液體頻率與結構縱向頻率、橫向頻率或者是局部結構頻率錯開。在眾多頻率交織在一起時，同時錯開很多頻率幾乎不可能，因此提出了主動控制方法。主動控制方法根據飛行中得到的觀測量，實時的改變控制量，因而對模型的精確性要求不高，而且針對出現的各種情況可以進行地面的模擬試驗。

無論是在國外大型火箭上廣泛應用的注氣式蓄壓器，還是航天飛機計劃中研究過的主動式蓄壓器，我國的運載火箭都未曾使用過。這些年來一些院校和科研單位對此進行了廣泛研究，目前基本停留在理論層面，后續應加強工程實現方面的研究。

3.1.2 動特性獲取技術

運載火箭結構動力學特性（簡稱動特性）是火箭姿控系統穩定性分析、結構動載荷計算、星箭載荷耦合分析以及POGO穩定性分析的基礎和依據。

到目前為止，我國運載火箭的動特性都是通過在振動塔設施內通過動特性試驗獲取。重型運載火箭的尺寸超過目前全箭振動塔的可容納箭體結構直徑或高度，重量也超過振動塔的承載能力，若仍采用這種方法獲取重型運載火箭動特性，需新建類似的大型試驗設施。應用傳統方法獲取的數據比較可靠，但設施建設費用高，且試驗周期長。國外的一些運載火箭研制，如歐洲阿里安火箭、蘇聯能源號火箭等已應用了另外一種動特性獲取技術，即：基于子結構有限元模型組裝的全箭動特性獲取技術，來獲取全箭動力學特性。該技術通過合理的試驗技術發展、理論建模、計算分析、試驗數據及模型修正等試驗?計算一體化設計，來獲得產品真實飛行條件下的動力學特性。目前共有兩種途徑，一是進行組合大部段模態試驗，之后進行模型組裝或模態綜合；二是設計和制造縮比模型，通過縮比模型試驗外推實尺寸動力學模型。前者研究以法國和蘇聯為代表，后者研究以美國為代表，但美國雖然在大力神、土星V等火箭中研究了大量縮比模型，最終仍進行了真實尺寸動特性試驗。

從目前研究的情況看，采用縮比模型的方法技術上是可行的，關鍵是縮比模型的正確性確認風險較大。采用部段模態組合的方法也是可行的，其關鍵是部段連接處的剛度數據獲取，這種方法同樣需要開展全尺寸子級的動特性試驗，但規模上要比全箭試驗小得多，容易實現。

3.2 制造技術

3.2.1 輕合金材料技術

隨著鋁合金材料的不斷進步，變形鋁合金材料已從第一、第二代發展到第四代，其顯著特點是強度高、耐腐蝕性強。第四代超強、高韌鋁合金材料具有高比強度和高比模量的特點，能夠更好的滿足結構輕質化設計需求。作為我國下一代運載火箭的代表型號，應用新材料，提高火箭性能，帶動材料應用發展是重型火箭的責任和義務。

重型運載火箭末級貯箱擬采用在歐美國家航天運載器貯箱結構已經實際應用或有明確應用意向的高性能鋁鋰合金，包括2195、1460及2050等。在高強鋁合金材料方面，7050鋁合金具有較高的強度、較好的斷裂韌性、較滿意的抗應力腐蝕性能和良好的淬透性，其厚板已大量應用于波音777、F／A?18以及F?22。目前我國已具備7050厚板的批量供應能力，在CZ?7運載火箭結構件上采用7050厚板替代部分鍛件作為承力支座，經靜力試驗考核滿足使用要求。7055鋁合金比7050鋁合金具有更高的強度，同時具有較強的斷裂韌性。7085合金是新一代超高強鋁合金厚板的代表，也是厚截面鍛件的理想選材。這些材料在運載火箭或武器系統上已得到初步的應用，未來也將支撐重型運載火箭的研制。

3.2.2 大直徑結構制造技術

大型結構制造可行性，直接影響到總體技術方案的可行性。工藝技術的穩定性直接關系到結構設計相關系數的選取，進而影響到技術方案中技術指標的實現。盡早地開展制造技術的研究，對重型運載火箭的工程實施意義重大。在結構制造方面，直接與“大”相關的技術包括：大型原材料的制備、大直徑部組件的制造（含工藝、專用裝備研發等）。

貯箱“Y”型環的整體制造，需要更大噸位的鑄錠。鑄錠越大，其內部的組織越差。同時，還需建造大型的熱處理設備和脹形設備，使貯箱“Y”型環的整體制造技術取得全面突破。

典型大直徑結構是芯級殼段和貯箱。對裝配工藝要求最高的是貯箱。按照貯箱制造技術的未來發展趨勢，貯箱的絕大部分焊接將采用攪拌摩擦焊。2219鋁合金材料的攪拌摩擦焊技術在新一代火箭的研制中已經突破，采用的裝配方式是臥式焊接裝配。研究表明，對于重型運載火箭這種直徑的貯箱，不適宜采用臥式焊接裝配的方法，而需采用更為先進的立式焊接裝配方法。立式裝配方式在國內從未采用過，從國外資料看，其技術難度很大，需要在裝備的設計、安裝、調試上進行技術攻關，確認這項技術的可行性。

3.3 試驗技術

3.3.1 動力系統試驗

動力系統試驗是運載火箭研制必不可少的環節之一，是考核全箭或火箭子級方案正確性、工作協調性和可靠性最為重要的試驗，也是在發射前檢驗火箭在發射場各項工作的關鍵環節，是最接近飛行狀態的試驗。從美國（圖4）、歐空局、日本、俄羅斯等航天火箭的研制規律可以看出，動力系統試驗是運載火箭研制過程必不可少的環節。

動力系統試驗必須有相應的試驗設施支撐。試驗設施的建設方式有多種多樣，沒有定式。各個國家依據研制周期、研制經費、原有設施技術狀況、科研機構布局特點、火箭運輸方式、氣象和環境特點等因素綜合考慮，有的建立專門的試驗臺，有的利用原有試驗臺改造，也有利用原有發射臺進行試驗。美國、俄羅斯運載火箭發展早期都建立了大噸位的動力系統試驗臺，這些試驗臺一般還可兼顧發動機研制試驗，如美國斯坦尼斯航天中心的B試驗臺、俄羅斯的101和102試驗臺。美國德爾它4火箭的通用芯級動力系統試驗即在承擔過土星Ⅴ和航天飛機動力系統試驗的B?2試驗臺上進行。阿里安5一子級是利用阿里安5發射臺進行動力系統試驗，而沒有專門建造動力系統試驗臺；H?ⅡA火箭二子級利用了原H?Ⅰ二子級動力系統試驗設施。

由于大直徑貯箱的運輸問題，我國原有的試驗設施無法改造利用，動力系統試驗臺需重新選址建設。為了能夠充分利用現有或將要為重型火箭專門建設的配套設施（如推進劑生產設施），最佳的建設地點是發射場。

對于動力系統試驗工位與火箭發射工位共用的初步研究表明，兩種設施表象上有共同之處，但某些具體指標要求差距較大。火箭發射時導流槽承受發動機尾流沖刷時間一般約10 s，而動力系統試驗時往往需要上百秒。火箭發射時火箭發射臺及地基承受的是壓力，而動力系統試驗時需要承受拉力。如果兩者合一設計，必然造成設計難度和施工難度加大，同時也會使研制周期加長。在同一區域分開建設也能夠共用部分設施，如推進劑生產，產品測試等。在動力系統試驗完成后，也可以將其改造成發射工位，供短時間內發射兩發重型火箭使用。

3.3.2 飛行驗證試驗

土星系列運載火箭專為阿波羅載人登月計劃而研制，先后研制的型號有土星I、土星IB和土星V等3種火箭。土星I火箭（研制型），是執行阿波羅計劃的第一個型號，用于阿波羅計劃的早期地球軌道飛行試驗和發射飛馬座宇宙塵探測衛星。土星1B（改進型）用于不載人或載人阿波羅飛船地球軌道飛行試驗、土星V和飛船程序及部件或者系統的試驗、發射天空實驗室。美國最終用于正式執行阿波羅計劃為土星V火箭，其先后研制的土星I、土星IB兩種中間構型的火箭，并使用這兩型火箭對土星V火箭的關鍵系統進行了大量飛行考核，為保證土星V火箭首飛成功奠定了基礎。從某種層面上，美國研制的土星I和土星IB，以及利用這兩型火箭開展的飛行試驗是更高層次上的飛行驗證試驗。

從世界運載火箭研制過程中進行的大型試驗情況來看，戰神I在首飛前進行了戰神I?X飛行試驗，其是一次真實意義的“試驗”，為亞軌道飛行，目的是獲得飛行力學環境參數、考核滾動控制、驗證分離系統并獲得分離環境、驗證一子級回收系統等方案。

從目前的大型試驗發展趨勢來看，從傳統模式的動力系統試驗到目前多系統參與的動力系統試驗，其試驗復雜程度大大增加，同時在試驗過程中更多的技術方案得到了更為充分的考核，系統間的接口協調性也得到了驗證。從這樣的發展趨勢來看，進行以多級、全系統參與的飛行試驗也是未來大型試驗發展的必然趨勢。

對于系列化的重型運載火箭構型，可以采用先進行串聯構型的飛行驗證，再進行最大構型（或兩助推器構型）的飛行驗證。但用飛行試驗替代動力系統試驗的設想所產生的風險和代價難以接受。

3.4 測試發射模式

測試發射模式對測發流程的選擇和確定、發射場總體布局、發射場地面技術設施的功能、組成與能力起著決定性的作用。

火箭在發射場的技術準備工作主要包括產品組裝、測試、轉運，通過這三個項目基本上能反映火箭的技術狀態、地面設施設備和發射場總體布局的特點。目前，國內外運載火箭在發射場的組裝、測試、轉運技術狀態可概括為：一平兩垂、三平（如圖5）和三垂三種測試發射模式。

俄羅斯重型火箭主要采用三平發射模式（水平總裝、水平測試、水平運輸），美國土星V和航天飛機采用三垂發射模式（垂直總裝、垂直測試、垂直測試）。一平兩垂（水平運輸、垂直總裝、垂直轉運）發射模式在我國的CZ?3A系列火箭、CZ?2C火箭仍然在使用。

無論是三垂還是三平發射模式，其目的都是為了能在一個環境條件較好的地方完成火箭的組裝和絕大部分測試，縮短發射區準備時間，提高發射工位的使用效率。從目前情況來看，我國重型運載火箭選擇在海南發射場發射是必然的結果，考慮到海南發射場的環境條件，在技術區完成組裝和測試的優勢明顯。需重點討論的問題是水平組裝測試還是垂直組裝測試。

從測試狀態的真實性、測試方便等方面來看，三垂模式優點突出，且在海南發射的CZ?5、CZ?7火箭均采用此種模式，技術繼承性較好。缺點是要建設超過百米高的垂直廠房和研制近萬噸的垂直活動平臺。三平模式的測試真實性較差需要增加發射區測試項目。三平模式雖然對廠房和運輸設備需求較低，但我國在大型火箭水平起豎技術上的基礎薄弱，尚需在關鍵技術攻關階段開展深入的研究工作。

4 結論

重型運載火箭是國家戰略需要，是航天發展需要，也是技術進步的需要。實現重型火箭的技術途徑有多種，適合我國國情和發展需要的才是最佳的選擇。重型運載火箭的研制既是挑戰也是機遇。先期開展一些關鍵技術的研究既有利于途徑的選擇也有利于后續工程研制，通過扎實嚴謹的研究來解決爭議或爭論。

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Research on Overall Technology of Heavy Launch Vehicle

ZHANG Zhi1，RONG Yi2?，QIN Tong2，SUN Jiwei1

（1.China Academy of Launch Vehicle Technology，Beijing 100076，China；2.Beijing Institute of Astronautical Systems Engineering，Beijing 100076，China）

Heavy launch vehicle（HLV）marks the capability of a country to access the space and also represents the comprehensive strength of a country.Based on the characteristics of the HLV de?veloped in the world，the general scheme and overall technology of HLV were studied.As to the general scheme，the demands for HLV were analyzed first，then the configuration and propulsion system of HLVswere selected based on the demands.As to the overall technology，the POGO sup?pression technology，themodal test，the materials，the key component production，the engine sys?tem testand the flight testetc.were studied from three aspects（design，manufacture and test）.Fi?nally，a development roadmap of HLV was proposed according to the national condition of China.

heavy launch vehicle；general scheme；overall technology；manufacture technology；test technology

V421

A

1674?5825（2017）01?0001?07

2016?06?02；

2017?01?04

張智，男，碩士，研究員，研究方向為運載火箭總體技術。E?mail：zlwhit＠hotmail.com

?通訊作者：容易，女，博士，研究員，研究方向為運載火箭總體技術。E?mail：rongyi781030＠126.com