长征九号运载火箭
中国论证开发的新一代重型火箭
长征九号运载火箭(代号:CZ-9,英文名称:Long March 9,以下简称”长征九号“),是中国正在论证开发的新一代重型运载火箭
长征九号火箭是响应未来深空探测、载人登月和登火、空间基础设施建设(如空间太阳能电站)等任务需求,由中国运载火箭技术研究院抓总研制的。火箭芯级直径为10米级,总高百米级,起飞质量超过4000吨,具备LEO(近地轨道)140吨、LTO(地月转移轨道)50吨、TMI(地火转移轨道)44吨的运载能力。长征九号的起飞质量和运载能力接近中国已有的最大运载火箭长征五号运载火箭(起飞质量867吨,LEO25 吨)的五倍,也超越了著名的登月火箭——土星五号(起飞质量2938吨,LTO运载能力 48.5吨)。
长征神舟九号的第一研制阶段于2016年立项研制,计划于2030年前后首飞。截至2022年,研制工作处于关键技术攻关及方案深化论证阶段。
研发历程
研发背景
运载火箭是目前人类克服地球引力、进入空间的唯一工具,是发展空间技术、确保空间安全的基石,中国运载火箭起步于20世纪60年代,经过半个世纪的发展,共经历了5个阶段,研制了4代18种运载火箭。
重型运载火箭是指近地轨道运载能力达到百吨级别的运载火箭,展望航天发展,发展重型火箭已经成为各国共识:近年来,美国、俄罗斯等世界航天强国均把发展先进的航天运载技术确立为国家的重要战略,普遍瞄准2030年前后执行载人登月目标,并规划载人探火等长期发展目标,这些重大任务都依赖重型火箭的研制。
面向未来航天探索重大任务,中国同样需要发展重型运载火箭。根据规划,中国自主研制的重型运载火箭将以满足一次交会完成载人登月和多次交会完成载人登火星等深空探测任务对运载能力的需求为目标,具有不低于130吨的近地轨道转移能力。
方案演变
载人登月的任务规划在2010年就已初露端倪,参考阿波罗登月的规模,载人登月飞船总重初步定为50吨左右,以此为基础,相关研究提出了四种运载火箭初步技术方案,其中一种即接近当前长征九号的技术构型。
重型运载火箭首先基于海南文昌发射场进行弹道方案设计。结合重型运载火箭的任务需求,重型火箭采用二级半构型,通过第二级1次点火与第二级2次点火,适应发射28°低地球轨道(近地轨道简称LEO,以下称LEO)和月球转移轨道(简称为LTO,以下均称LTO)有效载荷的需求: 110°射向、28°目标轨道倾角的LEO运载能力达到130吨级,LTO运载能力达到50吨级。
国防科工局于2010年开展重型运载火箭论证,历时一年形成总体方案。在此阶段,提出了长征神舟九号的基本构型,采用二级半构型,分液体助推器和固体助推器两种方案。
由于早期方案对新型大推力火箭发动机存在着过高的技术要求,尤其是远远大于当前中国现有火箭发动机的推力指标,对研制工作提出了极高的挑战。随着论证工作深入,结合实际技术水平,长征九号的总体方案进行了相应的调整。2013年,在广泛讨论了不同推进剂组合、推力量级后, 最终决定以500吨级液氧煤油发动机和200吨级液氧氢气发动机为主方案,并以此为动力确定了火箭总体的三级半方案。其中:4个助推器各采用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(设计海平面推力4800kN, 真空推力5218kN, 海平面比冲不小于3000m/s), 二级采用2台200吨级液氧液氢发动机(真空推力为2200kN, 真空比冲不小于4240m/s), 三级采用2台50吨级液氧液氢发动机的高空改进型,计划用十年时间完成发动机研制工作。
2016年,中国重型运载火箭(即长征九号)已完成深化论证,国家正式批准重型运载火箭第一研制阶段(即关键技术攻关及方案深化论证阶段)立项研制,利用4至5年时间,开展关键技术攻关工作,集中突破一大批核心瓶颈技术。在此阶段,长征九号三级半构型(以下称三级半构型)确定箭体芯级直径在10米级别,助推器直径由3.35米增加到5米,每个助推器使用的500吨级液氧煤油发动机由单台增加到两台,从而达到了近6000吨的起飞推力,使得火箭运载能力达到了LEO 140 吨,LTO 50 吨。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。
其后几年内,长征神舟九号方案仍有变化,但集中在发动机数量的增减,而在总体构型方案上基本没有什么变化,火箭的总推力和运力也略有提升。
2021年6月,长征系列火箭总设计师龙乐豪院士指出,由于新载人火箭同样即将完成研制,并覆盖了原规划中长征九号所需兼顾的部分中低运载能力,长征九号因而可能转向追求更高的运载能力目标。同时展示了一种新的重型运载火箭方案(以下称光杆构型),该方案为“光杆”构型,即不带有助推器,芯级直径接近11米,使用16台发动机并联,起飞推力为5873吨,起飞质量4122吨,二、三级也使用了更大推力的发动机,运载能力提高至LEO 150吨,LTO 53吨。该方案代表了未来中国重型运载火箭的一个研究方向,但原有方案并未停止研究,在未来几年内长征九号的方案仍将随着相关技术的发展做适当调整。
截至2022年,重型运载火箭(即长征九号)系列化构型总体方案已经明确,并具备一子级重复使用和两级串联构型的拓展能力,有较好的任务适应性,总体性能达到国际先进水平,兼具经济性和可靠性。
研制进度
2016年,国家已正式批准重型运载火箭第一研制阶段(即关键技术攻关及方案深化论证阶段)立项研制,利用4至5年时间,开展关键技术攻关工作,集中突破一大批核心瓶颈技术,需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。
2016年,用于长征神舟九号的500吨级液氧煤油发动机完成了首次发生器-涡轮泵联试,试验达到了预期目的,标志着500吨级液氧煤油发动机研制关键技术攻关取得突破性进展。
2017年,220吨级高性能氢氧发动机完成多个组件方案详细设计,进行了组件的研制试验工作。
2021年9月3日,220吨级补燃循环氢氧发动机成功进行了首次半系统试验,试验取得圆满成功。
2022年9月6日,25吨级闭式膨胀循环氢氧发动机首次整机热试车圆满成功,标志着中国成功研制出世界上推力最大的闭式膨胀循环液态氧液氢火箭发动机。
2022年11月5日,500吨级液氧煤油发动机首次整机试车圆满成功。该型发动机设计推力500吨级,采用世界上最大的补燃循环发动机推力室。首次整机试车的成功,标志着该型发动机研制取得重大突破,全面提升了中国液态火箭发动机的研制水平。
大直径箭体相关设计、生产工作也在稳步推进,采用整体锻造技术的10米级铝合金环件、可应用于液氧环境的大容量低温钛合金气瓶、世界上最大的火箭贮箱瓜瓣等方面已经取得一系列的技术成果,火箭壳体、整流罩以及级间环等也都早已下线。
中国运载火箭研究院2021年报道,长征九号预计将于2028年前后首飞,相比规划中2030年前后有所提前。
技术参数
长征九号运载火箭是一型重型运载火箭,其三级半构型的基本构型为三级串联同时捆绑四台助推器,以载人登月任务需求为设计目标,运载能力远超中国现役各型运载火箭。长征九号运载火箭采用模块化思路,可以通过对助推器数量以及芯一级的调整,构建起LEO 50-140吨、LTO 15-50吨、奔火转移轨道12吨至44吨的系列化型谱。
长征神舟九号(三级半构型)总体参数如下:
长征九号(三级半构型)基本型的运载能力如下:
长征九号(三级半)系列不同构型的对比如下:
在2022年11月中国国际航空航天博览会中以及中国中央电视台龙乐豪院士的访谈中,确认光杆构型成为后续研究的主要方向,其构型特征如下:
相关活动
2024年11月,长征九号运载火箭在第十五届中国航展航天馆亮相。
未来任务
未来载人登月任务的需求贯穿整个长征九号运载火箭的研制工作至今,因此未来载人登月是长征九号运载火箭的核心重大任务。根据中国载人登月两步走任务规划,2030年以后,将利用重型运载火箭(即长征神舟九号),实施3人以上的月球探测和开发活动。
除载人登月任务外,长征九号运载火箭还将用于执行火星探测、载人登火、深空探测、空间太阳能电站建设等重大任务。
参考资料
长征九号.中国运载火箭技术研究院新闻中心.2023-02-16
长征五号.中国航天科技集团有限公司.2023-03-08
运载火箭.中国航天科技集团有限公司.2023-02-16
长征火箭与中国航天.第35届全国青少年科技创新大赛线上展示交流活动.2023-02-16
航天科技集团发布《中国航天科技活动蓝皮书(2022年)》.中国航天科技集团有限公司.2023-02-16
火箭院完成国内首件直径9.5米贮箱箱底圆环的组合焊接.中国运载火箭技术研究院新闻中心.2023-02-16
重型运载火箭“液氧环境气瓶”研制出来了.中国运载火箭技术研究院新闻中心.2023-02-16
中国运载火箭技术研究院.微信公众平台.2023-02-16
目录
概述
研发历程
研发背景
方案演变
研制进度
技术参数
相关活动
未来任务
参考资料