这枚超级运载火箭，还未发射就已赚足了全世界的眼球

　　长征9号重型火箭，需要研制世界一流水平的500吨级液氧煤油发动机、200吨级液氧液氢发动机，掌握超大直径箭体的设计制造和试验等各项技术。
　　火箭的运载能力有多大，航天的舞台就有多大，一个国家运载火箭的能力决定了其航天活动的规模以及太空应用开发水平。而对于中国探月工程来说，急需一枚大推力超级火箭，长征9号就是背负着这样的使命仰望星空，该火箭最大推力可达3000吨，超过最大推力850吨长征5号的数倍。
　　为什么需要重型火箭？
　　而要实现载人登月、载人登火星等载人深空探测的一个重要前提条件就是必须研制出重型运载火箭，因为载人登月飞船或火星飞船质量和体积都很大，飞行速度也要求更快，所以必须用重型运载火箭才能发射。
　　所谓重型运载火箭是指火箭起飞推力在3000吨上下、近地轨道运载能力在100吨左右的火箭。现在，美国、俄罗斯等国都把载人航天的未来目标都瞄准了月球、小行星和火星等地外星球，所以，在沉寂40年后，他们又都再次启动了新一代重型运载火箭的研制工作。
　　与此同时，中国航天人也加紧研制自己的重型运载火箭，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，中国长征九号火箭论证初期运力指标也瞄准战神五号的130吨运力。

美国两款SLS巨型火箭与中国长征5号重型火箭和长征9号巨型火箭对比图　　长征9号——“神秘的存在”
　　长征9号重型火箭比中国去年首射成功的长征5号大型运载火箭将在多方面更上一层楼。例如，其近地轨道运载能力将由长征5号的25吨提高到140吨，其直径将由5米增加到近10米，其液氧煤油发动机的推力将由120吨提高到480吨，其氢氧发动机的推力将由50吨提高到220吨。当然，长征9号研制也更难。

长征9号（左）与长征3号乙　　据火箭专家介绍，中国长征9号重型火箭为三级半构型，总重3000吨，全箭总长近百米，芯级最大直径10米级，近地轨道运载能力为140吨，地月转移轨道运载能力50吨。它是完成深空探测、载人登月和登火、空间基础设施建设（如空间太阳能电站）等任务的重要支撑。该火箭采用“通用化、系列化、组合化”发展策略，其三个构型的对应结构状态相同，可模块化组合，既能捆绑液体助推器，也可捆绑固体助推器。
　　其先期关键技术攻关、方案深化论证工作已于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。现计划通过四五年的时间，突破一系列关键技术，为重型运载火箭工程研制打下基础。而目前火箭发动机技术攻关也已取得突破性进展。
　　突破超大直径整体锻造关键技术

中国已研制成功重型火箭用的超大型铝合金整体环件　　重型火箭采用超大直径箭体结构设计，位于连接贮箱的筒段、前后底与火箭的箱间段之间的过渡环直径很大，是传力的关键部位，受力较集中。以往型号产品的过渡环通常采用分段式锻造，把各部段之间焊接起来。
　　重型火箭的过渡环直径大，界面形式特殊且复杂，焊接时可能会产生瑕疵，在未来执行任务过程中，可能会因受力状态复杂，遭到难以预料的破坏。
　　为增强过渡环的受力强度，研发部门采用整体锻造法制备过渡环，从小直径过渡环锻造入手，逐步改进工艺，不断确定合适的工艺流程细节。经过一年多攻关，终于成功研制出重型火箭贮箱过渡环，突破了超大直径整体锻造关键技术，这在国内乃至世界都尚属首例。
　　它标志着长征9号重型火箭突破了最大瓶颈难题，为中国超大直径箭体结构的设计、制造、试验等关键技术奠定基础，也为重型运载火箭结构件轻质化设计提供了技术支撑。
　　打造火箭的“绿色”强心脏

发动机系统简图　　2016年8月1日，中国重型运载火箭500吨级液氧煤油发动机首次燃气发生器-涡轮泵联动试验取得成功，研制工作取得第一个里程碑式的胜利。
　　这个实验的全称是：500吨推力重型火箭发动机的“燃气发生器与涡轮泵联试”，可以看出重点在语“燃气发生器”和“涡轮泵”。
　　从二战末期的V-2火箭开始，科学家们就利用火箭燃料和氧化剂作为工质，推动一个涡轮，然后由涡轮带动燃料和氧化剂泵来达到火箭发动机的设计要求，这个过程被称为动力循环过程。有人形象比喻说，发动机是火箭的心脏，而涡轮泵则是发动机的心脏。
　　“开式循环”——浪费又污染

“土星5号”的F-1发动机　　美国当年传奇的“土星5号”火箭的主发动机——F-1火箭发动机使用的是燃气发生器循环。在这个系统中，火箭燃料进入燃气发生器进行不充分燃烧，产生的废气能够形成一定的推力驱动涡轮泵，来带动燃料和氧气泵，向火箭发动机供应达到温度、压力数值要求的燃料和氧化剂。但这一过程浪费了一定的燃料且会产生有毒气体。

美国土星5号重型火箭　　中国“长征2号”/东风-5系列火箭/导弹的发动机也是使用这一原理，因此会有不少的剧毒偏二甲肼燃料在不完全燃烧的情况下喷射到大气中，产生一定的污染。因此这种原理的四氧化二氮\偏二甲肼火箭常被叫做“毒弹”。
　　“膨胀循环”——难度系数极高
　　最理想的火箭发动机燃料供应方式是“膨胀循环”，即液体燃料在发动机喷嘴周围的热交换机通过时吸收燃烧的热量膨胀，推动涡轮泵，提供向燃烧室内泵压燃料和氧化剂的动力。整个过程中燃料完全不会浪费，全部在燃烧室内燃烧做功，推动火箭飞行。
　　然而这种循环方式的技术难度很高，而且一般使用在氢氧燃料火箭上——70年代中国研制“东风6”环球导弹的时候曾计划在第二级上使用这种原理的发动机。
　　“补燃循环”——突破性进展
　　所谓的“补燃循环”是将燃气发生器中进行不完全燃烧后产生的废气在再引入燃烧室，进行第二次燃烧，产生推力。此过程属于“闭式循环”，几乎不浪费燃料。
　　此次中国试验的500吨推力发动机据认为就是正在预研阶段的YF-460发动机（真空推力460吨，水平面推力约500吨），首次涡轮泵联试圆满成功，这标志着该发动机研制关键技术取得突破性进展，为发动机整机试验打下了坚实基础。
　　大直径分段式固体助推器
　　固体助推火箭，是世界大多数重型运载火箭起飞阶段的重要辅助动力手段，它与液氧煤油发动机联合起来将长征九号推上大气层边缘地带。固体助推火箭推力大、简单可靠、便宜易用，但是它无法像液体火箭发动机那样具备长时间高比冲的优点。所以两者的结合，令运载火箭可以在大推力和经济性之间得到最佳平衡。
　　长征9号火箭的芯一级可能计划用两台YF-460，再加上两个1000吨级的固体助推器，这已无法整体浇筑和运输，必须被分为数段，分别运送到发射台附近，然后再进行组合。

分段式固体火箭助推器　　而固体火箭发动机本质上说是一个巨大的缓慢燃烧的“炸药管”，如何保证固体药柱的稳定燃烧对于大部分国家来说都还是一个难以解决的问题，更何况还要把它分为好几段？所以，大直径分段式固体助推器的分段组合技术的难度显而易见。
　　然而，2016年8月中国的3米直径两段式助推器已经试验成功，证明我们离掌握这门技术又近了一步。
　　如果相关工作进展顺利，长征9号重型火箭将在2030年有望实现首飞，如果首飞成功，有望成为全世界运载能力最大的火箭，成为名副其实的大国重器。
　　（本文来源：网易新闻学院）

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