[科普中国]-长征九号运载火箭

长征九号重型火箭的出现绝非偶然。当前，美、俄积极抢占太空制高点，重启重型运载火箭研制计划。欧洲、日本、印度等也竞相推进新型大运载火箭研究论证。中国同样需要更大能力的运载火箭来自由进入太空。虽然长征五号运载火箭已经首飞成功，达到世界先进水平，但载人登月需要运力更大的火箭。6规划中长征九号火箭技术跨度大，强大的性能更是让人难以忘怀。其运力和美国土星五号火箭大致相当，超过正在研制的美国下一代运载火箭（SLS）的运载能力，完全可以满足未来载人月球探测、火星取样返回、太阳系行星探测等多种深空探测任务需求，保障中国在未来宇宙探索和更大更远空间的话语权。7

长征九号火箭还处于研制早期的可行性论证阶段，航天部门不仅要向政治领导人阐述它在登月项目中的必要性和使用上的扩展能力，更要说服他们长征九号火箭是一个经济上可承受的项目。中国重型运载火箭数年来方案的变迁，可以说是从不切实际的诱人梦想，到脚踏实地的扎实设计的过程。

参照美国的阿波罗的土星五号火箭和星座计划的战神五号火箭，我国长征九号火箭论证初期运力指标瞄准了战神五号的130吨运力。9早期论证中曾提到研制600吨级液氧煤油发动机和200吨级液氢液氧发动机，甚至提出了使用千吨级固体助推器的方案。龙乐豪院士的论文中，以这三种火箭发动机构成两种二级半构型组合，其近地轨道运力均为130吨，和战神五号的设计指标相当。9

随着论证的深入，结合我国实际需求和技术水平，长征九号的指标有了不小的调整。根据2013年航天科技集团六院院长谭永华发表在《宇航学报》上的论文，我国以载人登月为目标进行了重型火箭的论证，考虑我国航天发展需求、技术保障和工业体系，以及动力型谱发展等因素，最后决定研制500吨级液氧煤油发动机（或480吨级液氧煤油发动机）和200吨级液氢液氧发动机（或220吨级氢氧发动机），以此为主动力重型运载火箭采用三级半方案，其中4个助推器个采用1台500吨级液氧煤油发动机，一级采用4台500吨级液氧煤油发动机，二级使用2台200吨级液氧液氢发动机，三级采用2台50吨级液氧液氢发动机高空改进型。长征九号重型火箭的起飞推力约为4000吨，起飞质量大约为3000吨，近地轨道运载能力约为100吨。9

2016年4月14日，在龙乐豪院士公开讲课的PPT中，提到有关重型火箭的三种不同构型，三种构型采用模块化、系列化、通用化设计。而在2016年10月的《深空探测学报》上的论文中再次提到了这一构型，其中助推器直径扩大到5米，采用2台480吨级液氧煤油发动机，起飞质量达到约4000吨，起飞推力达近6000吨，近地轨道运载能力约为140吨。1012

目前，中国的重型运载火箭已完成深化论证，火箭先期关键技术攻关、方案深化论证工作于2016年6月正式批复立项，主要的攻关内容为“一总三大”：一总即重型火箭的总体技术和方案优化；三大即10米级大直径箭体结构的设计、制造和试验，480吨大推力的液氧煤油发动机，220吨大推力的氢氧发动机。如果一系列关键技术实现突破及相关工作进展顺利，15年内有望实现首飞。这将大幅提升中国自主进入空间的能力。7

2016年8月1日，航天六院研制的480吨级液氧煤油发动机已经完成了首次发生器-涡轮泵联试，试验达到了预期目的，通过试验验证了发动机系统和组件方案的可行性，标志着480吨液氧煤油发动机研制关键技术攻关取得突破性进展。42017年将开展第二次联动试验，计划在2018年年底开展发动机整机试验。

2017年3月，由航天六院11所研究设计的500吨级液氧煤油发动机高压燃料摇摆装置完成了首次高压摇摆试验，达到既定目标，取得圆满成功，为深化500吨级液氧煤油发动机燃料摇摆装置方案奠定了良好的基础。11

220吨级高性能氢氧发动机已完成了多个组件方案详细设计，进行了组件的研制试验工作。4

备注：

1.资料来源：

我国航天运输系统成就与展望12

龙乐豪有关重型火箭PPT（见图“龙乐豪提出的三种构型”）10

意义巨大的长征九号运载火箭9

孙纪国有关航天运载火箭及氢氧发动机的报告（见图“孙纪国有关中国重型运载火箭的PPT”）

2.此参数为理论数据，仅供参考。

3.轨道缩写对照：

LEO：近地轨道（Low Earth orbit）

GTO：地球同步转移轨道（Geostationary Transfer orbit）

LTO：地月转移轨道（Lunar Transfer orbit）

MTO：地火转移轨道（Mars Transfer orbit）

LEO140吨级方案

火箭采用“通用化、系列化、组合化”发展策略，三个构型的对应结构状态相同，可模块化组合。可捆绑液体助推器，也可以捆绑固体助推器。12

火箭采用三级半构型，最多可捆绑4个5米直径采用2台480吨级液氧煤油发动机的助推器，一级采用4台480吨级液氧煤油发动机（无助推构型为5台发动机），二级使用2台220吨级液氧液氢发动机，三级采用2台50吨级液氧液氢发动机高空改进型。

火箭全长约93米，芯级最大直径为10米级，起飞推力约为5873吨，起飞质量约为4137吨，近地轨道运载能力约为140吨，地月转移轨道运载能力约为50吨。该方案近地轨道运载能力已超出美国登月使用的“土星5号”运载火箭和苏联“能源”号运载火箭。1012

LEO100吨级方案（旧方案）

火箭采用三级半方案，其中4个3.35米直径助推器各采用1台480吨级液氧煤油发动机，一级采用4台480吨级液氧煤油发动机，二级使用2台220吨级液氧液氢发动机，三级采用2台50吨级液氧液氢发动机高空改进型。

火箭全长近100米，芯级直径为10米级，起飞推力约为4000吨，起飞质量大约为3000吨，近地轨道运载能力约为100吨，地月转移轨道运载能力约为35吨。912

火箭通过模块重组LEO运载能力可以达到125-130吨，很可能有一个4助推的基本型和一个6助推的增强型。9

长征九号重型运载火箭的结构尺寸和起飞质量均将突破我国现有运载火箭能力水平，要打造这样一个重量级火箭，科技人员要解决代表世界一流科研水平的更大推力液氧煤油发动机技术，更大推力液氢液氧发动机技术，更大直径箭体设计、制造、试验技术，以及火箭总体设计这“三大一总”为代表的一系列难题。7

长征九号火箭的芯一级采用直径10米级箭体结构和新研480吨级液氧煤油发动机，芯二级将采用新型高性能220吨级液氢液氧发动机。10虽然大推力液氧煤油发动机对比早期方案进一步降低了指标，但其性能要高于俄罗斯RD-180先进大型液氧煤油发动机，属于大型发动机的顶尖水平。13

大推力液氧煤油发动机推力选择的合理化和助推器沿用3.35米直径箭体的设计，还为设计类似美国AtlasV火箭的新一代运载火箭提供了可能。以单发480吨级液氧煤油发动机模块为基础，捆绑使用多个大推力固体助推器调节运力，重型型号由3个或5米3.35米助推器模块组成，其设计远比现有的长征五号和长征七号简洁可靠，将构成地球低轨道运力覆盖10~50吨的大型运载火箭家族，可将中国大型运载火箭的技术和性能提高到一个新的水平。由于较小运力需要使用固体助推器调节运力，这个设计方案还可以弥补长征九号火箭弃用大推力固体助推器对中国固体发动机生产带来的不利影响。

长征九号重型火箭在其他方面技术上也有很大的提高，为了降低结构质量，长征九号火箭的推进剂储箱将使用轻质高强度的铝锂合金，级间段和整流罩使用复合材料；火箭电气和控制系统将使用故障诊断系统，还以此为基础进一步实现火箭故障诊断和重构。火箭制导系统将使用捷联惯导加卫星导航加星光导航的先进复合制导方案，软件方面使用摄动加迭代的制导律，此外火箭还将具备基于天基天链系统的遥测控制能力。这些先进的火箭技术将显著提高长征九号重型运载火箭的性能，还将用于现有长征五号、六号和七号等运载火箭的升级。13

2008年的《航天推进专业发展》报告中，已经提到了为满足近地轨道100吨级运载能力和载人登月等大型航天活动，需要“动力先行”研制5000千牛级液氧/羟系统发动机方案和1500千牛级液氢液氧发动机方案，并开展3600千牛和5000千牛大推力分段式固体助推器的关键技术研究。同期《火箭推进》、《航空动力学报》和《宇航学报》等学术期刊上的论文，还不约而同的出现单室高压补燃液氧煤油大推力发动机方案，大推力氢氧发动机的论证中甚至出现全流量分级燃烧循环的设计。无论是500吨级单室高压补燃液氧煤油发动机，还是150吨级全流量分级燃烧液氧液氢发动机都是液体火箭发动机的巅峰之作，但回首YF-100尤其是YF-77坎坷的研制过程，选择这样的高性能发动机设计要承担很大的风险。

可能是意识到开始的不切实际，随后的论证中大推力火箭发动机的指标逐步合理化。2011年的论文中大推力液氧煤油发动机已经改为3300千牛单室、6600千牛双室的设计，这样的设计虽然大幅度降低了解决燃烧不稳定现象的难度，但6600千牛发动机对大功率推进剂涡轮泵的要求反而更高了。氢氧发动机的设计也同步转向更具可行性的方案，提出了推力2000千牛的燃气发生器循环氢氧发动机方案，它将使用单台富氢燃气发生器并联驱动氢氧涡轮泵的设计，虽然性能平庸但技术难度较小，可以看作美国RS-68发动机的2/3缩比版。

在论证液体发动机的同时，航天动力研究院也提出了研制大推力固体助推器的设想，计划用10年时间分别研制出500吨和1000吨级推力的分段式固体火箭发动机。中国航天动力院计划用现有的2米120吨推力分段分别实现360吨和500吨推力。完成大型固体发动机技术演示后，进一步研制出3.5米直径5分段的千吨级固体火箭发动机。13

480吨级液氧煤油发动机

480吨级液氧煤油高压补燃发动机（或500吨级液氧煤油发动机）将用于火箭的芯一级和助推器。

220吨级液氢液氧发动机

采用燃气发生器循环方案的220吨级液氢液氧发动机（或200吨级液氧煤油发动机），将用于火箭的芯二级。

25吨闭式部分膨胀氢氧发动机

25吨闭式部分膨胀氢氧发动机，将用于火箭的芯三级。9

龙乐豪在《关于中国载人登月工程若干问题的思考》中设想的中国载人登月二期工程中。工程的目标是在二十一世纪30年代使4~6人较长时间停留月面并安全返回，以满足未来建立月球基地和载人登火星的需求。方案是由CZ-5A（或5M）发射载人舱，重型火箭（可能为论证中的长征九号运载火箭）发射转移和货物舱段，采用近地轨道交会，完成登月和返回。141516

纵观国际航天大国载人航天和运载火箭的发展趋势，研制重型运载火箭进一步提升运载火箭的运载能力，也成为各航天大国的共同选择。我国航天事业曾经被美国拒绝和压制参加国际空间站建设，所以更有必要加快长征九号重型火箭的步伐。

长征九号运载火箭研制的目标，首先是满足未来载人登月任务的需求，此外规划中的火星取样返回任务和（带）外行星探测任务也需要这样的重型运载火箭的参与。航天科技集团五院的钱学森实验室热衷的空间太阳能电站，同样需要使用长征九号这样的重型运载火箭才能发射和组建。