新一代載人登月運載火箭總體方案和關鍵技術

張 智，徐洪平，鄧新宇，何兆偉

(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)

1 引言

載人月球探測是航天強國的重要標志，也是載人航天工程發展的長遠戰略。美國已制定了2024年重返月球計劃，俄羅斯計劃于2028年發射重型火箭，世界航天領域掀起了新一輪載人月球探測熱潮。

中國新一代運載火箭長征五號、長征六號、長征七號以及長征八號已經研制完成，并逐漸成為發射市場的主力火箭。常規推進劑運載火箭的更新換代勢在必行，載人運載火箭的更新換代也已提上議程。

未來的載人航天將從探索型向應用型轉化，按照立足成熟技術、確保安全可靠，能力上臺階、技術上水平的發展思路，在充分繼承新一代運載火箭和常規推進劑載人運載火箭研制成果和成熟技術的基礎上，通過方法和技術創新，開展新一代載人登月運載火箭方案論證與設計。

2 需求分析

2.1 載人月球探測的任務急需

載人登月一直是數千年來中國人追逐渴求的美好夢想，也是世界大國科技水平和國家實力的綜合體現。月球距離地球約38萬公里，實現載人飛行并登陸月球需要進入奔月軌道的全部載荷達到50～100噸級，中國目前最大的運載火箭受起飛規模、動力系統性能、結構效率等制約，奔月軌道運載能力僅為8.2 t，需要的發射次數過多，任務適應能力不足，且不具備載人飛行能力，無法滿足載人登月的任務需求。研制運載能力更大，滿足載人飛行標準的新一代載人登月運載火箭，填補載人登月的能力空白，是當務之急。

2.2 航天強國建設的關鍵支撐

航天技術是決定中國國際地位和世界影響力的戰略制高點。火箭的能力有多大，航天的舞臺就有多大，運載火箭技術水平是航天強國的重要標志，運載能力是衡量航天強國的指標之一。航天強國建設的國家戰略賦予了航天人新的歷史使命。深化載人登月方案論證，組織開展關鍵技術攻關，夯實載人探索開發地月空間基礎，快速提升我國進出、利用和控制空間的能力，大力拓展我國太空活動的領域，是實現航天強軍、航天強國偉大夢想的關鍵支撐。

2.3 運載火箭發展的必然使命

根據世界運載火箭技術發展趨勢，未來發展焦點將從滿足當前任務急需轉化為形成長遠競爭優勢，發展模式將從能力的迫切提高升級為效率的極致追求。與美國、俄羅斯等世界航天強國相比，中國運載火箭技術在運載效率、結構效率、智能飛行、自動測發等方面仍有較大差距。開展新一代載人登月運載火箭研制，在繼承中國現有新一代運載火箭和常規推進劑載人運載火箭研制經驗基礎上，針對當前運載火箭設計、生產、試驗、測發中的深層次難題開展攻關，實現中國運載火箭由能力型向效率型、規模型向技術型的重大跨越，使各項技術指標全面達到世界先進水平。

2.4 國家創新戰略的有力助推

創新是一個國家發展的靈魂，根據世界技術發展趨勢和競爭態勢，黨和國家高瞻遠矚，提出了中國制造2025、人工智能等國家重大戰略。新一代載人登月運載火箭瞄準世界一流水平，全面深化創新，將應用大直徑低溫共底貯箱、大推力泵后擺發動機、智能飛行、一體化電氣系統等一大批創新技術，極大地帶動大型高端精密裝備制造、新材料、新工藝、國產化元器件等國家基礎工業發展，助力中國整體工業體系的升級換代。

3 總體方案

新一代載人登月運載火箭采用三級半構型，總長約為90 m，捆綁2個與芯一級基本相同的助推器，起飛重量約為2200 t，構型示意見圖1。該火箭由箭體結構系統、電氣系統、發動機系統、增壓輸送系統、地面測發控系統和發射支持系統組成，主要方案如下:

圖1 新一代載人登月運載火箭構型示意圖Fig.1 The sketch of new generation lunar manned launch vehicle

1)芯一級采用5 m直徑，安裝7臺地面推力125 t級的YF-100K/L液氧煤油發動機，其中3臺YF-100K發動機雙向搖擺；

2)助推器捆綁2個通用芯級模塊，安裝于II、IV象限；

3)芯二級采用5 m直徑，安裝2臺真空推力146 t級的YF-100M液氧煤油發動機，每臺發動機雙向搖擺；

4)芯三級采用5 m直徑，安裝3臺真空推力9 t級的YF-75E氫氧發動機，每臺發動機雙向搖擺；

5)三級采用輔助動力完成滑行段姿態控制、推進劑管理和有效載荷分離前末修、調姿；

6)助推器、芯一級、芯二級和芯三級均采用共底貯箱，一二級分離采用二次分離方式；

7)液氧貯箱采用自生增壓；

8)電氣系統采用一體化設計，高速實時以太網總線，全程天基測控；

9)采用新三垂測發模式，簡化發射場和發射區工作項目和設施。

新一代載人登月運載火箭奔月軌道運載能力27 t，運載效率為1.23%，達到世界先進水平。

4 關鍵技術

新一代載人登月運載火箭的研制充分吸收新一代火箭和常規推進劑載人運載火箭的研制經驗和成果，充分借鑒國際主流運載火箭的先進經驗，全面對標世界一流技術水平，創新設計方法和系統設計方案，通過綜合優化實現運載效率大幅提高，性能、可靠性和安全性達到國際先進水平，突破以13項重大關鍵技術為代表的120項關鍵技術，提升中國運載火箭的研制技術水平和能力。

4.1 器箭一體化技術

器箭一體化技術是針對飛行器在上升段的工作環境和載荷條件，通過運載火箭與飛行器聯合建模，對上升段飛行器內部響應分布進行精細分析，并且形成基于一體化設計的仿真和試驗方法，實現飛行器設計條件的優化，提升任務效益，與傳統設計方法的差異對比見表1。

表1 器箭一體化設計與傳統設計差異Table 1 Differences between integration design and traditional design

4.2 電氣一體化技術

電氣一體化技術通過一體化的綜合電子架構設計(圖2)，將原有分布式的相關設備進行適度集成，一體化架構、一體化通信、一體化能源，通過全箭電氣系統軟硬件資源共享，實現系統功能性能優化及設備的模塊化和小型化。

圖2 電氣系統架構圖[3]Fig.2 The sketch of avionics system architecture[3]

4.3 新型數字化技術

新型數字化技術是在傳統設計技術基礎上，按照基于模型的系統工程思想、方法、工具和手段，規范數字化設計工作、提升數字化協同設計水平，形成高效協同研制模式，提升系統仿真水平。基于模型的產品研制全壽命周期活動示例見圖3，在傳統V字形研制流程的基礎上，將設計結果由模型承載和傳遞，在設計階段便開展大量的綜合集成驗證，縮短閉合迭代周期、增強總體優化能力。

圖3 基于模型的產品研制全壽命周期活動圖示例[4]Fig.3 The sketch of model-based full life cycle activity in product development[4]

4.4 高性能結構材料應用技術

通過研究高性能鋁合金、碳纖維復合材料和緊固件高性能材料等工程應用技術，提升箭體結構的性能和工藝穩定性，實現運載火箭結構效率和運載能力的提升。

4.5 故障診斷與處置技術

故障診斷與處置技術負責完成待發段及飛行階段的全箭數據綜合、故障診斷，協同控制模塊完成系統重構功能，同時在火箭發生威脅航天員安全的故障時發出逃逸指令。為提升該技術實現的可靠性與有效性，采用先進感知技術與診斷算法。箭上重點負責飛行階段可預知的重構類故障診斷以及需要執行逃逸的速變類故障診斷，地面重點負責待發段故障以及飛行段緩變故障的檢測，能夠充分利用地面運算資源強大的優勢，實現箭上和地面協調配合。故障診斷與處置流程見圖4。

圖4 故障診斷與處置流程[5]Fig.4 The flowchart of fault diagnosis and disposal[5]

4.6 自主飛行控制重構技術

自主飛行控制重構技術是提高載人火箭系統可靠性和安全性的重要基礎，是國外運載火箭廣泛采用的先進技術。通過自主飛行重構技術具備故障模式下的任務適應能力，能夠進行在線自主決策與快速規劃、充分利用火箭的剩余能力，轉入任務降級、應急救援、可控返回等備用任務，以保證有效載荷及人員的安全，提高任務的成功率。

4.7 高性能液氧煤油發動機技術

YF-100K/L、YF-100 M液氧煤油發動機推力面密度(單位面積安裝的發動機數量)、推質比(產生單位推力的發動機結構重量)、真空比沖相比YF-100有較大提升，由于發動機系統參數耦合性強、力熱參數變化劇烈，改進后的發動機需要針對薄弱環節進一步改進，提升固有可靠性。同時，YF-100 M發動機采用的鈦合金大噴管的制造技術也是實現發動機高性能的關鍵技術。

4.8 高性能氫氧發動機技術

在現有面積比80噴管的設計生產工藝上，再增加一段單壁金屬段，將發動機噴管面積比提高到175，從而將發動機比沖性能由442 s提高到452 s。同時根據火箭時序，發動機工作時間較現有狀態增加一倍，針對長壽命工作任務特點開展可靠性提升，確保載人飛行的高安全和高可靠。應用火炬點火技術提升發動機點火可靠性和發動機的使用性。

4.9 高能煤油技術

高能煤油是以工業化工原料為基礎，通過脫水縮合反應、分子內成環反應、脫氮反應和產品精餾提純等工藝得到的一種高能合成碳氫燃料。與現役火箭煤油相比，高能煤油具有密度大、比沖高等優點，在發動機結構不需要進行大的改動的條件下，可直接應用于液氧煤油液體火箭發動機。開展高能煤油關鍵技術研究，突破宏量制備、高效精制、相容性提升等關鍵技術，完成高能煤油大流速流動傳熱、結焦性能、安全特性、熱物性等研究，確定百噸級制備方案。

4.10 多機并聯復雜環境預示與控制技術

新一代載人登月運載火箭起飛時21臺發動機工作，多機并聯工作時各發動機燃氣噴流、振動、沖擊、壓力脈動等作用相互耦合，力、熱等環境十分復雜。尤其是單位面積內發動機數量更多、布局更緊湊、耦合更嚴重，環境預示和控制難度較現役火箭更大。多機并聯火箭精確環境預示及控制技術結合各級發動機布局特點開展力、熱等環境分析，實現復雜環境的高精度預示，并針對環境適應性薄弱環節采取改進措施。同時針對一級動力系統需要的大能量蓄壓器需求，采用新型注氣式蓄壓器解決傳統膜盒式蓄壓器能量值偏小的不足，通過注氣、排氣/液流量的優化設計，實現全飛行剖面內的POGO穩定和壓力脈動有效抑制。

4.11 大承載輕質化結構與分離機構技術

箭體結構輕質化是運載火箭控制自身重量、提升運載效率的重要途徑。新一代載人登月運載火箭由于發動機推力大、載荷量級高、傳力形式復雜，通過尾艙傳力一體化結構、大承載錐底貯箱、大直徑低溫共底、縱向高加筋箱筒段、整體機銑高筋壁板組合艙段等新型承載結構的設計與制造技術，從設計方法、材料體系和結構形式等方面開展全方位挖潛，以顯著降低全箭結構質量，支撐新一代載人火箭高運載效率的指標要求。5 m直徑低溫共底貯箱樣件見圖5。

圖5 5米直徑低溫共底貯箱Fig.5 Five meter diameter cryogenic coplanar tank

另外，分離是運載火箭至關重要的動作，關系到飛行任務的成敗和航天員的生命安全。新一代載人登月運載火箭通過突破線式分離、剛性包帶等關鍵技術，確保在火箭載荷復雜且量級大的情況下，高可靠、高安全、低沖擊的完成分離動作。

4.12 高性能增壓輸送系統技術

突破復雜流場設計、自生增壓流量調節與控制、大口徑低溫密封技術、大口徑管路補償技術及電控閥門設計制造等關鍵技術，實現以推進劑高效利用、大口徑低溫密封及補償、輕質高強管路設計以及電控閥門設計等為代表的技術水平的跨越。

4.13 快速測試發射技術

新一代載人登月運載火箭系統復雜、箭上和地面產品數量多，測試流程和項目繁雜，并且采用液氫推進劑，為確保測試操作的安全性和提高測發效率，開展大口徑零秒氣液組合連接器、智能化供配氣、具有牽制功能的后倒支撐臂(圖6)、大流量噴水降溫降噪、活動發射平臺熱防護、運載火箭火工品自動短路保護及解保、運載火箭火工品電磁閥及自動測試技術攻關，實現加注后全箭各系統無人值守。

圖6 具有牽制功能的后倒支撐臂示意圖Fig.6 The sketch of rear inverted support arm with hold-down function

5 結束語

新一代載人登月運載火箭是根據中國載人航天工程長遠發展規劃，為發射中國新一代載人飛船而全新研制的高可靠、高安全載人火箭，將中國奔月軌道運載能力由8.2 t提升至27 t，填補中國載人登月的能力空白，推進中國載人運載火箭升級換代，具有安全可靠、性能先進、流程創新、擴展靈活等特點，是實現中國2030年前載人登陸月球和航天強國建設的重要戰略支撐。