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[科技] 中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空

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曹兴隆 发表于 2024-7-11 17:14:27 | 只看该作者 打印 上一主题 下一主题
 
近日，欣闻我国200吨级全流量分级燃烧循环液氧甲烷火箭发动机完成设计工作，并已经开始全尺寸产品生产与验证工作，这是一款可以对标美国SpaceX公司“超重-星舰”用猛禽液氧甲烷发动机的拳头产品，二者主要技术指标处于同一水平，我们的推力调节范围会更优秀，仅推重比指标略差一点。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第1张图片


200吨级液氧甲烷发动机是CZ-9重型火箭的主动力，种种迹象表明该型火箭的研制工作正在驶入快车道。
进入21世纪第三个十年以来，随着中国空间站、天问一号、嫦娥五号、嫦娥六号等任务的实施，以及航天应用产业的蓬勃发展，我国航天已经强势进入世界航天的第一梯队，然而航天探索是永无止境的，我们的最终目标是要全面建成航天强国，引领人类航天事业的发展。
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中国空间站组合体实拍
为了实现这一目标需要分两阶段步骤完成：
第一步：到2035年进入航天强国前列，在重型运载火箭、新一代空间基础设施建设、空间站建设、载人登月和探月工程、行星际探测等方面取得一系列标志性成果；
第二步：到2045年全面建成航天强国，在载人登陆火星、国际月球科研站、行星际穿越、天地往返运输等方面再取得一系列标志性成果。
对照现实，此刻我们正处于朝着第一阶段目标奋斗的过程中，但已经在局部领域实现了由大变强，比如建成了全球唯二的大型载人空间站“天宫空间站”，探月工程领域已经完成了绕落回三步走目标，并进一步实现了基于科学探测需求，在月球表面任意选择着陆区与采样区的全月球到达与返回能力，这在世界范围内也是独一份。
可以看到，第一阶段所列举的任务目标中，重型运载火箭排序最靠前，还是因为那句话，运载火箭运力有多大，航天的舞台就会有多大。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第3张图片

发射天和核心舱的CZ-5B火箭
有了CZ-5B大火箭，我们才能够在近地轨道部署22吨级的中国空间站的三大舱段，而不是像印度计划建造的空间站那样，由于火箭运力限制，使得单个舱段重量上限是10吨级，吨位的差异也直接决定了空间站的能力上限。有了14吨级地球同步转移轨道运力的CZ-5大火箭，才能在地球静止轨道部署大规模的通信/遥感类应用卫星，才能往月球发射8吨级具备环月轨道交会对接能力的无人采样效率最高的嫦娥五号采样返回探测器。
CZ-5型火箭是我国当前各型运载工具中的高轨运力担当，但是面向未来的深空探测需求还是远远不够的。
比如载人登月任务，至少需要25吨级的地月转移轨道运力，用以发射载人登月用的载人飞船与月面着陆器。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第4张图片

执行我国载人登月任务的梦舟号飞船与揽月号着陆器效果图
回顾人类航天史，大多数运载火箭产品的推陈出新，皆是由需求推动研制工作，如果没有载人航天工程的空间站建设需求，以及嫦娥探月工程的采样返回需求，那么CZ-5系列大火箭就难以问世。即便是国外的业界翘楚SpaceX公司的“超重-星舰”，也是“星链”巨型互联网卫星星座的部署需求所催生的产物。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第5张图片

SpaceX公司超重起飞
在我国载人登月任务需求推动下，命名为“CZ-10”的新一代载人运载火箭已于去年正式立项研制，该型火箭具备27吨级的地月转移轨道运力，能够胜任我国基于月球轨道集合方案的载人登月任务。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第6张图片

CZ-10新载人火箭多级并联原理样机
然而，载人登月只是我们为开展载人月球探测拿到的入场券，正如昔日载人航天工程常说的一句话“载人为建站，建站为应用”，研发神舟载人飞船不是为了飞天而飞天，而是为了使其成为往返近地轨道空间站与地面的载人交通工具。
载人登月飞船在载人月球探测领域的作用，其实与神舟飞船之于天宫空间站一样，是载人地月往返的交通工具。
掌握载人登月能力之后，下一步就要发展月面载人长期驻留能力，进而实现依托国际月面科研站的人机协同探测能力，以及月面开发应用能力，这就需要部署有较大规模的具备载人环境条件的大规模舱段。
月球与地球的平均距离是38万公里，与近地轨道空间站的三四百公里距离不可同日而语，高轨运力损失是很严重的。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第7张图片


比如即便是标称可以达到8吨级地月转移轨道运力的CZ-5火箭，其发射的探测器在接近月球时需要进行较长时间的近月制动操作，需要消耗大量的燃料使探测器进入绕月轨道，进入绕月轨道后下一步还要反推点火减速登月，同样要消耗大量燃料，这意味着标称的地月转移轨道运力中有相当比例的重量资源要让位给探测器加注的燃料，比如CZ-5火箭计划发射的嫦娥八号探测器的一个突出特点就是大规模月球着陆任务，它在充分利用CZ-5火箭极限运力的条件下，落月质量也只有两三吨。
如果要在月面部署15吨级的载人舱段，就需要地月转移轨道运力达50吨以上的重型运载火箭，这就是CZ-9重型火箭的发射应用需求之一。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第8张图片

发射质量3.78吨的嫦娥三号着陆器，落月质量仅1吨级。
CZ-9重型火箭项目的研究历史可以说是相当悠久了，至少十年前就已经启动关键技术攻关工作，在漫长的预研过程中，该型火箭也经历了多次设计变更，其原先是三级半构型，起飞级由一子级与4枚助推器构成，共配置12台480吨级液氧煤油发动机，起飞推力5873吨，二子级配置2台220吨级氢氧发动机，三子级配置4台25吨级高空型氢氧发动机，近地轨道运力140吨，地月转移轨道运力50吨，地火转移轨道运力44吨，应当说这一设计在传统运载火箭领域是优异的，尤其是高轨运力极具优势。
但是，老长九并不符合低成本进入太空的新需求，难以实现回收重复利用，基于该型火箭发展任何航天工程都意味着高成本，且也不具备拓展重复使用功能的箭体基础，因此，果断中止此型号的发展是理智的。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第9张图片


中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第10张图片

老版CZ-9重型火箭
虽然老版CZ-9火箭最终下马，但并不意味着前面十多年的努力都是无用功，恰恰相反，基于老长九的关键技术攻关需求，我们收获了10米级直径箭体的设计与制造技术、大推力氢氧发动机的设计与制造、大推力液氧煤油发动机的设计与制造，以及大推力发动机试车基础设施建设等一系列成果。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第11张图片

220吨级氢氧发动机试车
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第12张图片

9.5米直径燃料贮箱原理样机
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第13张图片

9.5米级过渡环
对于我们这样一个从没有研制过重型火箭的国家而言，老版CZ-9的探路是值得的，交出了适量学费，收获了大量的技术研究成果，为后续研发全新版本的CZ-9重型火箭奠定了极为坚实的基础。
新版CZ-9最早亮相于两年前，其与老版本相比，可以说是脱胎换骨，连燃料都换了，基本型取消助推器，采用三级串联光杆构型，一子级配置30台200吨级液氧甲烷发动机，起飞推力6118吨，比之老版本增推245吨，二子级配置2台200吨级液氧甲烷发动机，三子级配置4台25吨级氢氧发动机，整箭高114米（相当于38层楼房高度），箭体直径10.6米，起飞质量4400吨，近地轨道运力大于150吨，这一运力可以将3辆99A主战坦克送入太空，地月转移轨道运力大于50吨，完全有能力在绕月轨道部署类似天和核心舱级别的舱段，且运力绰绰有余，也能在月球表面部署15吨级的载人舱段。
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新版CZ-9重型火箭效果图
新版长九实现了一子级与二子级的动力型号通用，且具备一子级垂直回收复用功能，由于液氧甲烷燃料结焦少的优势，复用次数有望达到50次至100次，基于基本型取消三子级就是两级串联光杆构型，此种构型可以专注于近地轨道任务，下一步还将发展两级完全重复使用构型。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第15张图片

新版CZ-9的三种构型
在重复使用能力建设上，基本型实现的是一子级重复使用，两级完全重复使用构型要拓展的能力就是二子级重复使用，这就需要二子级具备近地轨道再入返回能力，为了降低再入速度、热流烧蚀、再入过载等指标，需要二子级成为带有翼面设计的二子级，进而实现升力式再入，这就使得我们的CZ-9两级完全重复使用构型与美国SpaceX公司的超重-星舰高度相似，可称之为中国版星舰。
为什么CZ-9要更改技术路线？除了前文所述的重复使用功能建设需求，还有就是揭示了重型运载火箭高效率发展的工程原理。
传统技术路线是伴随着发动机推力的极限增大，火箭整体运力提升。新技术路线是，发动机推力不需要极限增大，只需要适度增大，然后依托多发并联技术实现总推力的提升。
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第16张图片

超重起飞级配置33台猛禽发动机
在任何时期，发动机的推力总有上限，而随着技术的进步，多发并联技术已经不再是拦路虎，多发并联可以更轻松实现总推力的跃升，比如新旧两型CZ-9的设计实践已经给出证明。
正是基于多发并联技术路径，我们才能在更短的时间周期内拥有可以载人登月的新一代载人运载火箭CZ-10，其起飞级也将实现21台发动机的同步点火。
另外，多发并联技术可以实现推力冗余配置，即便有几台发动机推力失效，也可以实现在线弹道重构，意思是即便火箭动力出了问题，还是可以将整流罩里的航天器送入预定轨道，而如果是传统技术路径的超大推力发动机，即便是只有一两台发动机失效，也难以实现在线弹道重构，因为总推力冗余配置不足。
再就是多发并联设计，在垂直回收领域有着先天的良好适应性，更方便箭体回收时的推力控制。
为什么我们一定要学习美国的技术路径，这对我们有好处吗？
回顾历史，四十三年前，当美国第一架起飞重量达2030吨的航天飞机完成轨道飞行任务时，在重复使用条件下，近地轨道运力可达27.5吨，我们那时只有起飞重量190吨的CZ-2火箭，近地轨道运力仅2吨，且不具备重复使用功能。
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两架航天飞机同框
中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第18张图片


CZ-2火箭发射返回式卫星
不论是航天事业的起点差距，还是在运载能力建设上，历史上美国大幅领先于我国，这是客观现实，学习他们已经经过实践检验的技术路径，本就是多快好省发展的捷径。
以前人们常用“看一眼就怀孕”来调侃我国强大的工业化制造能力，这其实表现出来的就是强大的学习能力，为什么我们有如此强大的学习能力？
因为依托14亿国内大市场的旺盛需求，以及世界范围内最齐全工业门类的工业化强国的先天优势，在能力与需求的双重动力推动下，在仿制、消化吸收、再创新的发展路径指引下，我们最终注定会比他们更出色。
需要指出的是，本文提到的200吨级液氧甲烷发动机不仅仅是新版CZ-9重型火箭的主动力，更是我国两级入轨空天飞行器的主动力，这是我们开启的另一条赛道：空天飞机。在这条赛道上，此时此刻，我们已经建立了绝对优势。
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中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第20张图片


中国版星舰呼之欲出，30台发动机暴力推进，能送3辆99A坦克上太空 第21张图片


新版CZ-9重型火箭到2033年前后就可以实现首飞，这就意味着中美航天运载差距将大幅缩短至十年，假以时日，实现最终超越就会是发展的必然。


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