长征十号
中国研制的新一代载人运载火箭
长征十号(CZ-10)是由中国航天科技集团一院负责研制的新一代载人运载火箭,它主要是用于将月面着陆器和登月飞船送入地月转移轨道,预计于2030年前完成研制。
长征十号运载火箭采用三级半构型,总长度约92米,起飞质量约2187吨,起飞推力约2678吨。该型火箭一级和二级使用了无毒无污染的液氧煤油推进剂,芯级直径与捆绑助推器的直径均为5米,第三级使用液氧液氢发动机。长征十号火箭的奔月轨道运载能力达到了27吨,近地轨道的运载能力是70吨左右,均为长征五号的3倍左右。
2018年11月的第十二届中国国际航空航天博览会上,长征十号首次公开。2023年2月24日,中国载人航天工程三十年成就展,展出了新一代载人运载火箭的模型,命名为“长征十号”。2024年2月,长征十号运载火箭全面进入初样研制阶段,各项工作进展顺利。10月,长征十号运载火箭已按计划开展初样产品生产和相关地面试验。11月,长征十号系列火箭已成功完成整流罩分离试验。
研制历程
研制背景
月球距离地球约38万公里,实现载人飞行并登陆月球需要进入奔月轨道的全部载荷达到50~100吨级,截至2023年,中国最大的运载火箭受起飞规模、动力系统性能、结构效率等制约,奔月轨道运载能力仅为8.2吨。需要的发射次数过多,任务适应能力不足,且不具备载人飞行能力,无法满足载人登月的任务需求。因此研制运载能力更大, 满足载人飞行标准的新一代载人登月运载火箭,是中国航天必需要完成的任务。
确定命名
2023年2月24日,在“逐梦寰宇问苍穹——中国载人航天工程三十年成就展”上,展出了新一代载人运载火箭的1:10模型,确定命名为“长征十号”
论证攻关
2017年,中国航天科技集团一院启动了新一代载人运载火箭方案论证工作。该火箭瞄准国际先进技术趋势,将实现技术更新换代,计划采用新型泵后摆高压补燃发动机、高安全逃逸系统、轻质高强度新材料等先进技术。
2018年,航天科技一院对外证实,他们已攻克了泵后摆火箭发动机、高压补燃发动机低压起动、固体发动机推力调节、新型无毒姿态控制发动机温起动、轻质伺服机构等多项关键技术。在进行大直径低温共底贮箱、超低温复合材料气瓶、千吨级轻质箭体结构等原理样机的研制生产。
动力试车
2022年7月28日,中国航天科技集团一院702所已完成多机并联静动联合试验。7月29日,中国航天科技集团六院101所完成三级发动机整机高工况长程试验。10月27日,中国航天科技集团六院对用于新一代载人火箭二级动力装置的大推力液氧煤油发动机进行了300秒长程试车,试车取得圆满成功。这台发动机共完成了3次共650秒的试车,标志着该型发动机关键技术取得重大突破,为中国新一代载人火箭的顺利研制奠定了基础。
2023年4月,中国首件新一代载人运载火箭八通蓄压器成功通过冷冲击试验和1.4兆帕液压试验,标志着中国已成功突破和掌握了八通蓄压器研制的关键技术并取得重大阶段性成果。八通蓄压器是新一代载人运载火箭通用芯一级氧输送系统的关键部件,在中国运载火箭上是首次使用。
2023年5月19日前,中国航天科技集团一院圆满完成新一代载人运载火箭栅格舵展开试验。该项试验是新一代载人火箭在原理验证阶段开展的首项机构类地面试验,主要验证栅格舵方案设计的正确性。
2023年7月22日,中国载人登月火箭长征十号的主发动机又完成了一次点火试车,验证了火箭飞行任务对发动机的全部要求,为发动机技术状态固化、产品技术基线确立、可靠性提升提供了有力支撑。
2024年6月14日,长征十号系列火箭成功完成了一子级火箭动力系统试车。试车过程中,发动机正常启动、稳定工作、定时关机,各项参数测试正常。此次试验是长征十号系列运载火箭的首次系统级大型地面试验,对一子级增压输送系统与发动机的匹配性、推进剂加注流程、多机并联传力和环境特性等技术进行了充分验证。
初样研制
2024年2月,长征十号运载火箭已全面进入初样研制阶段,各项工作进展顺利。
2024年4月24日,中国载人航天工程新闻发言人、中国载人航天工程办公室副主任林西强表示,长征十号运载火箭、“梦舟”载人飞船、“揽月”月面着陆器、登月服等主要飞行产品均已完成方案研制工作,全面开展出样产品生产和各项试验。
地面试验
2024年10月29日上午,神舟十九号载人飞行任务新闻发布会在酒泉卫星发射中心召开。发言人介绍,锚定2030年前实现中国人登陆月球的目标,工程全线已在全面推进各项研制建设工作。长征十号运载火箭、梦舟载人飞船、揽月月面着陆器、登月航天服、载人月球车等正按计划开展初样产品生产和相关地面试验,先后完成了飞船综合空投、着陆器两舱分离、火箭芯一级三机动力系统试车、YF系列火箭发动机75E氢氧发动机高空模拟试车等大型试验,保障上述生产试验的一批地面设施设备已建成并投入使用。载人前的飞行试验和首次载人登月任务的科学研究目标和配套载荷总体方案基本确定,发射场、测控通信、着陆场等地面系统已在紧张有序地开展研制建设。11月,长征十号系列火箭已成功完成整流罩分离试验,试验对火箭整流罩设计方案、分离方案等进行了充分考核。此次试验的成功,标志着长征十号系列火箭初样研制又迈出了坚实的一步。
方案设计
总体设计
长征十号新一代载人登月运载火箭,采用三级半构型,总体由助推器、芯一级、芯二级、芯三级、逃逸塔及整流罩组成。火箭总长度约92米,芯级直径5米,捆绑5米直径的助推器,起飞质量约2187吨,起飞推力约2678吨。该火箭由箭体结构系统、申气系统、发动机系统、增压输送系统、地面测发控系统和发射支持系统组成。长征十号火箭近地轨道(LEO)运载能力可达70吨,奔月轨道(LTO)运载能力27吨,运力和美国SLS Block1火箭相当。
动力方案
长征十号的芯一级直径5米,并联7台推力130吨级YF-100K发动机,其中3台YF-100K型发动机双向摇摆。同时第一级搭配的两个5米直径助推器也是7台YF系列火箭发动机100K并联,因此长征十号的第一级是3个芯级并联,共装有21台发动机。第二级安装2台真空推力146吨级的YF-100M液氧煤油发动机,每台发动机双向摇摆。为了支持载人登月任务,第三级将使用三台真空推力9吨级的YF-75E液氧液氢发动机,每台发动机双向摇摆,提供足够的速度增量。
火箭三级采用辅助动力完成滑行段姿态控制、推进剂管理和有效载荷分离前末修、调姿;火箭助摊器、芯一级、芯二级和芯三级均采用共底贮箱,一二级分离采用二次分离方式;火箭液态氧贮箱采用自生增压 。
发动机
YF-100K是130吨级泵后摆液氧煤油发动机,它是随着载人登月探测计划的提出及新一代载人运载火箭方案论证需求而诞生的。作为长征十号的主动力装置,该型发动机使用了泵后摆向量装置,使它具备了质量偏心小、摇摆包络小、摇摆组件易于布局等相较YF-100的优点。
YF-100M液氧煤油发动机是基于YF-100K发动机发展而来的高空优化型号,单台真空推力1450千牛,真空比冲349.8秒。
YF系列火箭发动机75E液氧液氢发动机是基于YF-75D液氢液氧发动机研制而来,使用膨胀循环,推力室室压提升至4.1兆帕,使用了更大的直径达1.6米的喷管,增大了喷管的面积比,真空推力约为9.40吨,真空比冲约451秒。
燃料
长征十号运载火箭一级和二级发动机采用液态氧和高能煤油燃料,三级采用液氧液氢燃料。高能煤油是以工业化工原料为基础,通过脱水羟醛缩合、分子内成环反应、脱氮反应和产品精馏提纯等工艺得到的一种高能合成碳氢燃料。与现役火箭煤油相比,高能煤油具有密度大、比冲高等优点,在发动机结构不需要进行大的改动的条件下,可直接应用于液氧煤油液态火箭发动机
地面支持系统
海南文昌发射场将为长征十号火箭建造新的总装大楼和发射工位,以及配套的转运发射平台。长征五号运载火箭火箭总长约57米,发射重量约880吨,已经是一个庞然大物,而新一代长征十号火箭载人运载火箭总长约92米,火箭总体规模是长征五号的两倍以上,现有发射长征五号的地面发射设施无法直接用于发射长征十号火箭,必须新建性能更强大的发射工位等配套设施。长征十号运载火箭还将使用新三垂测发模式,简化发射场和发射区的支持工作设施,具备快速发射能力,满足未来载人登月任务中快速发射两枚长征十号火箭的需求。
设计参数
技术特点
长征十号载人运载火箭采用的新型技术包括泵后摆高压补燃发动机、高安全逃逸系统、轻质高强度新材料。
长征十号载人运载火箭采用模块化设计,可以与多种模块组合使用形成近地轨道40吨至70吨,地球同步轨道10吨至32吨的系列化型谱,可以和长征九号运载火箭组合使用建立月球基地,实现月球可持续开发利用。
长征十号运载火箭的电气系统采用一体化设计,高速实时以太网总线,可实现全程天基测控。
在长征十号载人运载火箭研制中,一院研制团队突破了13项重大关键技术,其中包括高可靠健康管理、自主飞行控制重构、高性能氢氧发动机、高性能液氧煤油发动机等技术,这些技术决定了火箭的性能指标,是载人登月任务完成的基本前提。此外还包括快速测试发射、新型数字化、高能煤油等技术,这些将影响火箭的技术水平,是火箭方案先进性的重要体现。
在智能飞行方面,长征十号载人运载火箭上有一些实际的工程应用,能进一步提高任务的成功概率,保障航天员的安全。
长征十号载人运载火箭的一子级按照可重复使用设计,并有一个比较创新的重复使用方案,可在空间站运营阶段进一步优化运营成本。
衍生型号
无助推构型
长征十号还设计了另一种无助推的构型,可执行空间站航天员及货物运输任务,无助推构型火箭的一子级将按照可重复使用进行设计。与三级构型相比,无助推构型主要是去掉了2个助推器、三级和二级的1台发动机,全长约67米,起飞重量约740吨,起飞推力约892吨,近地轨道运载能力不小于14吨。
登月规划
中国载人月球探测工程登月阶段任务总的目标是:2030年前实现中国人首次登陆月球,开展月球科学考察及相关技术试验,突破掌握载人地月往返、月面短期驻留、人机联合探测等关键技术,完成“登、巡、采、研、回”等多重任务,形成独立自主的载人月球探测能力,推动载人航天技术由近地走向深空的跨越式发展,深化人类对月球和太阳系起源与演化的认识,为月球科学的发展贡献中国智慧。
2022年1月,《2021中国的航天》白皮书发布,中国继续实施载人航天工程,发射“问天”实验舱、“梦天”实验舱、“中国空间站工程巡天望远镜”空间望远镜以及神舟飞船天舟系列货运飞船,全面建成并运营中国空间站,打造国家太空实验室,开展航天员长期驻留、大规模空间科学实验、空间站平台维护等工作。
2022年11月,由中国航天大会获悉,中国用于载人登月的新一代载人火箭预计于2030年前完成研制,重型运载火箭研制也已取得阶段性成果。
2023年5月29日上午,神舟十六号载人飞行任务新闻发布会在酒泉卫星发射中心举行。中国载人航天工程办公室副主任林西强表示,中国载人月球探测工程登月阶段任务已启动实施。
中国载人航天工程办公室2023年7月12日公布了中国载人登月初步方案:使用两枚长征十号火箭分别发射登月舱和载人飞船,发射后它们将各自独立飞向月球,在环月轨道上交会对接。 接下来,航天员从飞船进入登月舱,随登月舱下降,安全着陆月球,开展科考活动。 完成既定任务后,航天员乘坐登月舱起飞,返回环月轨道,再次和飞船对接后,转移进入飞船并返回地球
总体评价
“长十运用了大量长五的成熟技术,比如采用新一代长征火箭广泛使用的YF100系列液氧煤油发动机。对比长五上的型号,其不仅单台推力从120吨级增长到130吨级,更关键的是泵前摆改成泵后摆,每台发动机占用空间缩小很多,可在5米直径箭体内装下7台,而原来的YF100在长五3.35米直径助推器里只能装2台。”“长征十号的起飞推力达到了2600多吨,完全满足双发登月的运力需求。”(国际宇航联空间运输委员会副主席杨宇光评)
“新一代载人运载火箭“长征十号”是根据我国载人航天工程发展规划,为发射我国新一代载人飞船试验船和月面着陆器而全新研制的高可靠、高安全的载人运载火箭。”(中国航天科技集团一院长征二号F运载火箭总设计师容易评)
参考资料
我国载人登月方案公布.光明网-今日头条.2024-05-04
箭指载人登月!长征十号安排上了.微信公众平台.2023-05-29
..2024-04-25
长十火箭栅格舵展开试验成功!.微信公众平台.2023-05-29
目录
概述
研制历程
研制背景
确定命名
论证攻关
动力试车
初样研制
地面试验
方案设计
总体设计
动力方案
发动机
燃料
地面支持系统
设计参数
技术特点
衍生型号
登月规划
总体评价
参考资料