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目前中國載人航天工程所使用的唯一運(yùn)載火箭是長征2F。長征2F火箭源于長征2E捆綁式火箭，最大運(yùn)載能力只有8.5噸左右，難以滿足未來貨運(yùn)飛船、2020大型空間站大質(zhì)量艙段的發(fā)射需求，需要新型大推力火箭。 那么長征2F火箭會(huì)不會(huì)進(jìn)一步升級(jí)、提升運(yùn)載能力？中國未來大推力火箭的性能如何？與國外大推力火箭相比，中國火箭又處于什么水平？  長征2F運(yùn)載火箭發(fā)展簡介
長征2E為發(fā)射大質(zhì)量的商用衛(wèi)星而開發(fā)，不過7次發(fā)射2次失敗，可靠性明顯達(dá)不到載人航天需要。 
用于載人航天工程的長征2F的首要考慮是可靠性，設(shè)計(jì)中大量使用已有成熟技術(shù)，將可靠性提升至97%。 中國載人航天工程目前采用的是長征2F運(yùn)載火箭，這是中國以原有的長征2E火箭為基礎(chǔ)，為載人航天任務(wù)專門研制的運(yùn)載火箭。 長征2F火箭著重提高安全性長征2E火箭又稱長征二號(hào)捆綁火箭，是20世紀(jì)80年代末為發(fā)射商業(yè)通信衛(wèi)星而研制的捆綁式火箭，它的研制使中國運(yùn)載火箭200千米高度近地軌道(LEO)發(fā)射能力從長征二號(hào)的2.4噸增加到約8.8噸。不過長征2E火箭的可靠性并不算高，總計(jì)7次發(fā)射中就有2次失敗，這個(gè)可靠性完全無法滿足載人航天的需求。 長征2F火箭總的設(shè)計(jì)原則是確保運(yùn)載火箭的可靠性和航天員的安全，盡可能實(shí)現(xiàn)一度故障工作、二度故障安全的設(shè)計(jì)思想。為了達(dá)到載人運(yùn)載火箭的可靠性和安全性，在設(shè)計(jì)中首先注重實(shí)用成熟的設(shè)計(jì)技術(shù)和生產(chǎn)工藝，如沿用長征2E火箭原有的四個(gè)助推器、芯一級(jí)、芯二級(jí)等成熟部件，力圖通過過去幾十年積累的設(shè)計(jì)、工藝和制造經(jīng)驗(yàn)保證可靠性；其次廣泛采用冗余和裕度設(shè)計(jì)技術(shù)，對(duì)可靠性影響較大的部件實(shí)行冗余設(shè)計(jì)，對(duì)不能進(jìn)行冗余設(shè)計(jì)的進(jìn)行裕度設(shè)計(jì)，盡可能降低運(yùn)載火箭整體復(fù)雜程度和元器件質(zhì)量水平對(duì)可靠性的影響；此外針對(duì)火工品誤炸的問題，全面使用鈍感火工品，降低誤炸可能；最后增加了逃逸塔和故障檢測處理系統(tǒng)。 通過這些可靠性和安全性的改進(jìn)，長征二號(hào)F火箭成為中國目前可靠性設(shè)計(jì)指標(biāo)最高的火箭，保證了中國載人航天發(fā)射的安全可靠，將可靠性提高到0.97，安全性指標(biāo)為0.997。 長征2F運(yùn)載火箭性能簡介長征2F運(yùn)載火箭沿用了長征2E的兩級(jí)半構(gòu)型，由4個(gè)助推器、芯一級(jí)、芯二級(jí)、飛船整流罩、逃逸塔組成，火箭全長58.3米，起飛總質(zhì)量479.8噸，是中國已有運(yùn)載火箭中最高最重的設(shè)計(jì)。長征二號(hào)F火箭可將超過7.8噸的載荷送入軌道傾角42.4度、軌道高度200X350千米的軌道，200千米圓軌道的運(yùn)載能力約8.6噸。 作為中國載人航天的唯一運(yùn)載工具，長征2F火箭自1999年以來神舟一號(hào)到神舟七號(hào)歷次發(fā)射均圓滿成功。 長征2F/G和長征2F/H運(yùn)載火箭
發(fā)射天宮一號(hào)的長征2F/G想象圖，小幅加提升了運(yùn)載能力，發(fā)射約9噸重的天宮一號(hào)已夠用，未來發(fā)射起飛重量約13噸的國產(chǎn)貨運(yùn)飛船則需運(yùn)力更強(qiáng)的長征2F/H。 天宮一號(hào)由長征2F/G火箭發(fā)射隨著中國載人航天工程進(jìn)行第二階段，長征2F原有的運(yùn)載能力已難以滿足更重航天器的發(fā)射需求。今年9月天宮一號(hào)空間實(shí)驗(yàn)室發(fā)射將采用經(jīng)過改進(jìn)的長征2F/G運(yùn)載火箭(G表示改進(jìn))。長征2F/G火箭在長征2F基礎(chǔ)上作了少許改進(jìn)，主要是助推器略微加長，改用雙激光慣組主從冗余，運(yùn)載能力略有提高。天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室的發(fā)射重量在8.5至9噸之間，長征2F/G已夠用，所以預(yù)料天宮二號(hào)、天宮三號(hào)仍由長征2F/G火箭發(fā)射。 長征2F/H改用液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)但天宮三號(hào)發(fā)射后，需要與貨運(yùn)飛船對(duì)接，進(jìn)行貨運(yùn)補(bǔ)給試驗(yàn)。以天宮系列空間實(shí)驗(yàn)室為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的貨運(yùn)飛船，上行貨運(yùn)能力達(dá)到約6噸，飛船總重量約13噸，明顯超出現(xiàn)有長征2F/G火箭約9噸的運(yùn)載能力。因此，中國計(jì)劃研制新一代的長征2F/H運(yùn)載火箭（H表示換）來發(fā)射貨運(yùn)飛船。長征2F/H比起長征2F有大幅改進(jìn)，主要是將原來的偏二甲肼-四氧化二氮發(fā)動(dòng)機(jī)，改為與長征5號(hào)配套的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，電氣系統(tǒng)和地面測發(fā)控系統(tǒng)使用一體化設(shè)計(jì)。 YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推力比以往的發(fā)動(dòng)機(jī)大，使得長征2F/H火箭的運(yùn)載能力提高到13噸，滿足發(fā)射貨運(yùn)飛船的需求。另外，推進(jìn)劑改為液氧煤油，取代劇毒的偏二甲肼-四氧化二氮，對(duì)環(huán)境保護(hù)也大有好處。 運(yùn)載能力最強(qiáng)的長征3B火箭
長征3B是目前國內(nèi)起飛重量最大的運(yùn)載火箭，也是目前國內(nèi)唯一能夠搭載嫦娥工程后續(xù)的月球軟著陸器的型號(hào)，但它的改進(jìn)潛力有限，已經(jīng)落后于日本的H-IIB。 長征3B運(yùn)載火箭性能簡介盡管長征2F是國內(nèi)發(fā)射重量最大的運(yùn)載火箭，但從理論上說中國LEO（近地軌道）運(yùn)載能力最大的火箭是長征3B火箭。長征3B運(yùn)載火箭靈活使用了模塊化、系列化和通用化的設(shè)計(jì)思想，以長征3A火箭進(jìn)行適應(yīng)性修改作為芯級(jí)，借鑒長征2E火箭捆綁助推器的經(jīng)驗(yàn)增加了四個(gè)液體助推器，從而獲得了更大的運(yùn)載能力。 長征3B火箭全長54.84米，起飛質(zhì)量425噸，芯一級(jí)和芯二級(jí)直徑3.35米、助推器直徑2.25米，三子級(jí)直徑3米，整流罩最大直徑4米。長征三號(hào)B運(yùn)載火箭的GTO(同步轉(zhuǎn)移軌道)運(yùn)載能力約5.1噸，近年來增強(qiáng)版本長征三號(hào)BE進(jìn)一步增加到5.5噸，理論上的LEO（近地軌道）運(yùn)載能力分別為11.2噸和12噸。在長征5號(hào)等新一代運(yùn)載火箭服役前，長征三號(hào)B火箭仍將是中國發(fā)射大型通信衛(wèi)星的主力，也是唯一可將3.5噸的嫦娥三號(hào)和四號(hào)軟著陸落月探測器發(fā)射進(jìn)月球軌道的火箭。 長征3B運(yùn)載能力仍然偏小2010年末長城公司發(fā)布的用戶手冊(cè)顯示中國還有將長征3B火箭的GTO運(yùn)載能力進(jìn)一步增加到6噸的方案，這個(gè)運(yùn)載能力將達(dá)到歐洲空間局Ariane 5G火箭的水平，不過這基本是長征3B火箭設(shè)計(jì)的極限。1997年首次發(fā)射成功長征3B火箭是中國競爭商業(yè)航天市場的主力，也是國內(nèi)唯一具備向GTO發(fā)射大型載荷的運(yùn)載火箭。 但對(duì)比其他航天強(qiáng)國的運(yùn)載火箭，其運(yùn)載能力并不算突出，當(dāng)時(shí)僅僅比日本的H-II火箭略強(qiáng)。多年后的今天，增強(qiáng)型的長征3BE雖然GTO運(yùn)力增加到了5.5噸，但日本GTO運(yùn)力8噸的H-IIB火箭已經(jīng)投入使用。 世界大推力運(yùn)載火箭縱覽
美國波音公司的德爾塔IV重型版，全氫氧推進(jìn)設(shè)計(jì)使其運(yùn)載系數(shù)高居世界第一，LEO運(yùn)力超過22噸。 
由蘇聯(lián)設(shè)計(jì)師切諾梅的全球火箭計(jì)劃演變而來的質(zhì)子系列是俄羅斯現(xiàn)有LEO運(yùn)力最強(qiáng)的火箭家族。 在當(dāng)今世界主要航天國家中，中國大推力火箭的運(yùn)載能力是尷尬的倒數(shù)第二，僅領(lǐng)先于印度，但就發(fā)射規(guī)模來說，印度并不算一個(gè)真正的航天強(qiáng)國。說起大推力運(yùn)載火箭，人們很容易想起登月的土星5火箭和蘇聯(lián)的能源火箭，不過這些LEO運(yùn)載能力百噸級(jí)的巨型運(yùn)載火箭任務(wù)單一，早已退役多年。當(dāng)前世界上主流的大型運(yùn)載火箭的LEO運(yùn)載能力為20噸左右、GTO運(yùn)載能力在8~12噸級(jí)，遠(yuǎn)高于中國運(yùn)力最大的長征3B火箭。 美國作為航天頭號(hào)強(qiáng)國，美國一次性大型運(yùn)載火箭現(xiàn)在基本由聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟壟斷，聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟擁有LEO運(yùn)載能力約19.8噸、GTO約9噸的宇宙神5(Atlas V) 551大型運(yùn)載火箭，還有LEO運(yùn)載能力約22.5噸、GTO約13噸、GEO（地球同步靜止軌道）發(fā)射能力約6.3噸的德爾塔4(Delta IV) Heavy重型運(yùn)載火箭。德爾塔4火箭還是世界上唯一的全氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)，運(yùn)載系數(shù)位列世界第一。 俄羅斯俄羅斯則繼承了蘇聯(lián)時(shí)代留下的質(zhì)子(Proton)火箭并有所發(fā)展，質(zhì)子火箭的LEO運(yùn)載能力達(dá)到了21噸、GTO運(yùn)載能力約6噸。類似Delta 4火箭，它也有直接將衛(wèi)星發(fā)射進(jìn)GEO（地球同步靜止軌道）的能力，GEO運(yùn)載能力約3.5噸。 
歐空局阿麗亞娜5系列運(yùn)載火箭雖然起步較晚，其最新改型的LEO能力也已達(dá)到21噸。 
日本的H-IIB運(yùn)載火箭已經(jīng)2次成功完成向國際空間站發(fā)射總重約16.5噸的HTV貨運(yùn)飛船的任務(wù)。 歐洲相比美蘇兩強(qiáng)早在20世紀(jì)60年代就研制了百噸級(jí)和20噸級(jí)大型運(yùn)載火箭，其他國家的大型運(yùn)載火箭發(fā)展較晚。1996年歐洲空間局的Ariane 5 G火箭首次試射，它的LEO運(yùn)載能力達(dá)到了16噸、GTO運(yùn)載能力約6噸。到了今天，Ariane 5 ES的LEO運(yùn)載能力達(dá)到了21噸、Ariane 5 ECA的GTO運(yùn)載能力達(dá)到了10.5噸。 日本日本1994年首次發(fā)射了新一代的H-II火箭，連續(xù)失敗后又發(fā)展了新的H-IIA火箭并于2001年首次發(fā)射。H-IIA火箭設(shè)計(jì)中曾包括GTO7.5噸和9.5噸的H-IIA 212和222構(gòu)型，但這些使用液體助推器的型號(hào)已經(jīng)取消。即使如此，已有的H-IIA 204型火箭仍然實(shí)現(xiàn)了約15噸的LEO運(yùn)載能力和6噸的GTO運(yùn)載能力。日本最新的H-IIB火箭則進(jìn)一步躋身大型運(yùn)載火箭之列，具有19噸LEO、16.5噸國際空間站軌道和8噸GTO運(yùn)載能力。 長征五號(hào)運(yùn)載能力將達(dá)世界先進(jìn)水平
長征5運(yùn)載火箭的幾種構(gòu)型：通過搭配不同型號(hào)的助推器和上面級(jí)，長征5家族可涵蓋LEO10~25噸、GTO6~14噸的運(yùn)力范圍，可滿足中國未來空間站的建設(shè)需要。 長征五號(hào)計(jì)劃于2014年首次發(fā)射對(duì)比國外主流大型運(yùn)載火箭，中國現(xiàn)有運(yùn)載火箭的能力大有不足。如果說此前缺乏大質(zhì)量載荷的發(fā)射任務(wù)，屬于有效需求不足沒有發(fā)展的話，那么隨著空間站20噸級(jí)大型艙段、質(zhì)量6.5~7噸的東方紅五號(hào)大型通信衛(wèi)星以及探月計(jì)劃三期的大型取樣返回月球探測器的研制，中國運(yùn)載火箭的運(yùn)力已經(jīng)成為瓶頸。所以中國在多年前就開始規(guī)劃設(shè)計(jì)新一代大型運(yùn)載火箭，這就是長征五號(hào)運(yùn)載火箭及其衍生型號(hào)。 長征五號(hào)運(yùn)載火箭在2006年正式立項(xiàng)，計(jì)劃2014年左右在海南文昌首次發(fā)射，使用長征五號(hào)技術(shù)的3.35米直徑的長征七號(hào)中型運(yùn)載火箭和3.35米直徑的長征六號(hào)小型運(yùn)載火箭也先后開始研制。 運(yùn)載能力達(dá)到世界先進(jìn)水平長征五號(hào)運(yùn)載火箭作為中國運(yùn)載火箭更新?lián)Q代、追趕國際先進(jìn)水平的關(guān)鍵一步，在主要性能指標(biāo)上已經(jīng)達(dá)到或超過國際主流大型運(yùn)載火箭的水平。長征五號(hào)運(yùn)載火箭基于120噸級(jí)推力的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和50噸級(jí)推力的YF-77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)研制，設(shè)計(jì)中貫徹模塊化、通用化和系列化的設(shè)計(jì)思想，以5米直徑芯級(jí)為核心分別捆綁不同數(shù)量的3.35米和2.25米直徑的助推器。LEO發(fā)射使用一級(jí)半構(gòu)型，即一個(gè)芯級(jí)、捆綁助推器，GTO增加了基于YF-75D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的上面級(jí)，構(gòu)成了A~F六個(gè)型號(hào)的長征五號(hào)火箭，覆蓋了LEO10~25噸、GTO6~14噸的運(yùn)力范圍。 其中與未來空間站建設(shè)緊密相關(guān)的是長征5A、長征5B和長征5C，長征5B的LEO運(yùn)載能力為25噸，可用于發(fā)射未來空間站的核心艙和實(shí)驗(yàn)艙；長征5A的LEO運(yùn)載能力為18噸，可用于發(fā)射貨運(yùn)飛船；長征5C的LEO運(yùn)載能力為10噸可用于發(fā)射神舟載人飛船。長征五號(hào)火箭單純從運(yùn)載能力上說，LEO和GTO的最大運(yùn)力都達(dá)到或超過了現(xiàn)有主流大型運(yùn)載火箭，但國外也有運(yùn)力更大的火箭在研制中，這點(diǎn)將來時(shí)的優(yōu)勢并不值得沾沾自喜，更重要的是長征五號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)在技術(shù)上與世界先進(jìn)水平仍然有較大差距。 
各太空強(qiáng)國主要大中型火箭尺寸對(duì)比。每一枚火箭都是杰出的技術(shù)結(jié)晶——如果仔細(xì)觀察，左一美國土星-IB火箭腳下有一個(gè)僅占兩像素的黑點(diǎn)，這是同比例下的一個(gè)成年人，在這些人造巨無霸的體型之大可見一斑。 國產(chǎn)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)落后較多
長征5系列將使用的YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，屬50噸推力級(jí)別，處于目前主流氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中的墊底水平。
國產(chǎn)120噸級(jí)推力的YF-100煤油/液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，性能僅超過目前仍在使用的一些低端同類產(chǎn)品。 新型火箭發(fā)動(dòng)機(jī)性能落后長征五號(hào)運(yùn)載火箭基于120噸級(jí)推力的YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和50噸級(jí)推力的YF-77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)。這兩款新型發(fā)動(dòng)機(jī)的推力和比沖都較小，尚未實(shí)用、性能已經(jīng)落后，導(dǎo)致長征5號(hào)各構(gòu)型需要使用的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量都比較多。如系列中運(yùn)載能力最強(qiáng)的長征5E，共有8臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)、2臺(tái)YF-77和2臺(tái)YF-75D氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)；而運(yùn)載能力相當(dāng)?shù)拿绹匦偷聽査?只有4臺(tái)氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)。發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量過多會(huì)增加火箭制造成本、也會(huì)對(duì)火箭發(fā)射的可靠系數(shù)帶來影響。 考察液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要有2個(gè)指標(biāo)，一個(gè)是最大推力，另外一個(gè)是比沖。在相同的發(fā)射重量下，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖越高，火箭的運(yùn)載能力就越強(qiáng)；火箭發(fā)動(dòng)機(jī)最大推力越大，所需的發(fā)動(dòng)機(jī)數(shù)量就越少。 多國火箭發(fā)動(dòng)機(jī)橫向比較國外目前均采用推力較大、比沖較高的高性能火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，以上文提到的各國大型運(yùn)載火箭為例，美國宇宙神5火箭使用引進(jìn)的俄羅斯RD-180液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，真空最大推力4320千牛，真空比沖337.8秒；俄羅斯質(zhì)子火箭的RD-253液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)雖然相當(dāng)老舊，但使用分級(jí)燃燒循環(huán)設(shè)計(jì)，真空最大推力仍然達(dá)到1830千牛，真空比沖316秒。在氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)方面，美國的德爾塔4火箭使用本國普惠公司生產(chǎn)的RD-68大推力氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，這也是世界上推力最大的氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，真空最大推力3445千牛，真空比沖409秒；歐空局的Ariane 5火箭使用法國斯奈克瑪公司的Vulcain 2氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，真空最大推力1340千牛，真空比沖431秒；日本H-IIA/IIB使用本國的LE-7A氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，最大推力1098千牛，真空比沖442秒。 相對(duì)來看，YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)真空最大推力為1340千牛，真空比沖約330秒；YF-77液氧液氧發(fā)動(dòng)機(jī)真空最大推力約為70千牛，真空比沖428秒。在主要的地面啟動(dòng)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)中，YF-100性能僅僅超過了老式的RS-27、RD-107和SpaceX廉價(jià)的Merlin等發(fā)動(dòng)機(jī)，YF-77液氫液氧發(fā)動(dòng)機(jī)更是在主流氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)中推力和比沖雙墊底。這些事實(shí)提醒我們的航天液體發(fā)動(dòng)機(jī)還需要加大投入，追趕世界先進(jìn)水平。
推力和比沖是衡量一種火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的兩項(xiàng)最重要數(shù)據(jù)，圖表中是中國為長征5號(hào)火箭開發(fā)的YF-100氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)和YF-77煤油-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)與國外幾種著名大推力火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能對(duì)比圖。必須承認(rèn)，在關(guān)鍵的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)領(lǐng)域，中國與其他西方大國差距仍很明顯。 結(jié)語中國長征系列運(yùn)載火箭源于軍用導(dǎo)彈，核心的發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)只是上世紀(jì)60年代國際水平，能夠打入國際市場主要依靠優(yōu)秀的成功率和低廉的發(fā)射價(jià)格。目前，長征火箭的運(yùn)載能力僅僅領(lǐng)先于印度，雖然新一代長征五號(hào)運(yùn)載火箭運(yùn)力趕上了世界主流水平，但火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)差距仍然很大。 未來中國仍需要推力更大、比沖更高的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)，以滿足深空探測、載人登月和大型空間站的發(fā)射需求，為探索和利用太空提供強(qiáng)大支持。（文/張雪松 黃治茂） 天宮尋夢系列策劃專題
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