中國探月繼而登火星 建百噸級運載火箭冀實現「太空雄心」

撰文:劉言
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3月1日,官方央視新聞客戶端報道,中國工程院院士、國家航天局原局長欒恩傑在接受媒體採訪時表示,未來中國將研製100噸級的重型運載火箭,以滿足走向更深遠太空的需求。
航天是冒險探索精神和高科技的結合,它需要的不僅是探索未知空間的勇氣,還需要一個國家具備很高的科技水平和經濟實力。

世界各國的超級火箭:蘇聯能源火箭、美國SpaceX獵鷹重型火箭、俄羅斯葉尼塞火箭、中國長征九號、美國空間發射系統1、蘇聯N1火箭、美國土星五號、美國空間發射系統2、美國SpaceX星艦(從左至右)。(維基百科公有領域)

在新冠肺炎(COVID-19)疫情肆虐全球的2020年,中國載人航天、北斗、探月、探火等航天重大工程和專項仍持續推進,研製發射的航天器覆蓋載人航天、空間探測、導航、通信、遙感、空間科學、技術試驗等全部技術領域,航天技術與應用能力大幅提升。

但實際上,中國航天人在這之前所經受過的煎熬也是外界所無法想像的。

一波數折的長征五號

如果說中國現役的長征二號、長征三號和長征四號系列都有一個共同的源頭——東風五號洲際導彈,那長征五號則無疑是中國新一代運載火箭的源頭。在長征五號之前,中國運載能力最強的火箭——長征七號僅能將約14噸載荷送入近地軌道,遠遜於西方大推力火箭。

長征五號系列為中國首個從總體到分系統均採用最新技術的大型液體運載火箭系列,是中國目前研製規模和技術跨度最大的航天運輸系統工程,新技術比例達95%;其到達近地軌道的最大有效載荷能力為25噸,到達同步轉移軌道的最大有效載荷能力為14噸,是中國現役起飛質量最大、芯級直徑最粗、運載能力最強的火箭。

在863計劃支持下,中國的長征五號項目於1986年開展了前期論證和攻關,正所謂「十年磨一劍」,長征五號於2016年11月在海南文昌航天發射場首次發射升空,但在過程中出現了二級發動機提前關機的故障,此後雖然通過延長上面級發動機的燃燒時間,仍成功將「實踐十七號「衛星送入地球同步靜止軌道,但有聲音指出這種補救措施會縮短衛星的使用壽命。

2017年7月2日,長征五號遙二運載火箭在發射後飛行至346秒時突發故障,星箭墜海。分析試驗結果將問題定位在火箭芯一級的一台YF-77發動機上,指出系液氫液氧發動機一分機渦輪排氣裝置在複雜力熱環境下局部結構發生異常,進而導致發動機推力瞬時大幅下降並使發射任務失敗。長征五號的第二次發射,也是中國航天首次在運載火箭的一級上採用液氧液氫發動機,而以失敗吿終,對中國航天人而言可謂是一項重大打擊。

從公開報道來看,2017年10月2日,YF-77發動機故障定位完成;2018年4月改進完畢;2018年10月30日,在長征五號遙三火箭即將出廠前,同批次YF-77試車被發現再次出現故障。

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經過改進,連續兩次試車成功,長五遙三火箭被推遲到2019年年中發射。但在當年4月4日對火箭的發動機測試中,發現YF-77發動機的氧渦輪泵出現細小裂紋。在採用新技術手段對以往通過試車考核的發動機進行檢測後,發現在同一位置,多台YF-77發動機都出現了微小裂紋。

其後,被寄予厚望的中國長征五號運載火箭、YF-77發動機陷入前所未有的風口浪尖:有提出長征五號項目立即下馬的;有要求扶正與美國SpaceX公司重型獵鷹火箭類似的某預研型號的;更有甚者,有聲音直指解散中國「官辦」航天隊伍,全面轉向私營航天。

另一方面,由於大推力運載火箭工程的延期,中國的空間站、探月計劃也不得不隨之一再推遲。受其影響,中國的「嫦娥五號」、「中國空間站核心艙」的發射日期延至2020年、2021年。對於中國的首次火星探測計劃來說,更是深重打擊,因為火星探測期的發射有窗口期,一旦錯過2020年的窗口期就必須再等26個月。

嫦娥五號返回器成功着陸 背後經歷「三大難關」

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在海內外各色目光的關注下,在經歷了908天的等待後,中國的長征五號遙三運載火箭在2019年12月27日在海南文昌航天發射場點火升空,在2,000多秒後將其攜帶的「實踐二十號」衛星準確送入預定軌道。

那一夜的文昌航天基地,無數中國航天人擊掌相慶。

中國需要更大大推力的運載火箭

凡是過往,皆為序章。對於中國航天人來說,長征五號遙三運載火箭是一個期盼已久的成功,但同時,它更是一個開始,其在總推力上雖然取得了突破,但技術本身並不先進,有業內人士指出其至多達到美、俄、歐十年前的水平,而且,長征五號使用的氫氧發動機,其性能也尚與美、俄、歐差距明顯。

2020年全球共實施了114次發射任務,追平1991年以來的發射次數紀錄,發射航天器共計1,277個,創歷史新高;中國在這一年完成39次航天發射,發射89個航天器,發射航天器總質量再創新高,達到103.06噸,較上一年度增長29.3%。

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而就在去年全球七大激動人心的太空任務中,由中國進行的就有兩項:2020年7月23日,中國成功將其首次火星探測任務「天問一號」探測器送入預定軌道,邁出了中國行星探測第一步,彼次發射任務也成為中國航天走向深空的重要里程碑;於2020年底發射的嫦娥五號,則是中國迄今為止最為大膽、最具挑戰的月球探測任務。

中國的探月工程分為「探」、「登」、「駐」三大步,隨着嫦娥五號在2020年12月成功完成月表採樣返回任務,也標誌着中國探月工程第一大步三期任務的完成。後續中國還將發射嫦娥六號、嫦娥七號等多個探測器繼續對月球進行更為深入的探索。

而為了滿足未來中國深空探測以及探月工程的需求,中國火箭的能力必須要更為強大。

作為人類有史以來投入使用的最強運載火箭,美國的土星五號170公里近地軌道運載能力高達140噸,回看過去,要是沒有土星五號的發射,就不可能有被世人稱道的「阿波羅登月」。中國的下一階段探月工程、載人航天工程,雄心勃勃的火星探測計劃,以及旨在取代神舟系列的新一代載人飛船、太空望遠鏡等諸多太空項目,都在等待着有足夠大推力的運載火箭的發射配合。

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曾是中國探月工程首任總指揮的欒恩傑表示,中國100噸級的重型運載火箭的論證階段基本完成,已進入到立項的後續階段,爭取在十四五期間(2021年—2025年)能夠開始重型火箭的研究。

早前已有公開報道顯示,中國自行研製的巨型登月火箭完成了深入論證,有望在2030年前首飛,未來它將被命名為長征九號。長征九號主要負責中國載人登月、火星科考取樣返回、載人登火、太陽系外圈行星探測等多種大運載高難度任務。有報道稱,其芯級箭體直徑9.5米級、通過對助推器數量以及芯一級的調整,可以構建近地軌道運載能力50噸至140噸、奔月轉移軌道運載能力15噸至50噸、奔火轉移軌道運載能力12噸至44噸的系列化型譜。

運載工具的升級,將快速提升中國進入空間的能力,夯實加速中國空間基礎設施建設。《中國航天科技活動藍皮書(2020年)》顯示,在2021年,以出品「神舟」系列載人飛船和「長征」系列運載火箭聞名於世的中國航天科技集團全年發射次數有望首次突破40次。

探索外太空是一場具有高度戰略意義的競爭,爭奪太空話語權已成為各國戰略競爭的重要方面。「從人造衛星,到月球和火星,中國在這些領域中正迅速變成太空超級大國」,美國宇航局(NASA)的前高級顧問凱西•勞里尼(Kathy Laurini)公開表示,「他們(中國人)設立戰略性,長期性的目標,而且為達到這些目標進行專注的,系統性的努力。」