目前我国现役推力最强、运载能力最强的运载火箭就是在2019年末刚刚完成遥三涅磐重生式发射的长征5号运载火箭,其作为我国现役推力最强的运载火箭,承担了我国未来大型卫星平台/登月返回/深空探测等航天发射任务。但是随着美国重新研制的SLS重型载人登月火箭的箭体结构试验和RS-25氢氧发动机的装机试验,同期包括美国的SpaceX公司的星舰也正在进行的载人航天发射试验。同期我国专为载人登月研制的长征9号超重型火箭虽然已经完成了一级发动机涡轮泵联调试验,但是距离首次发射还为时尚早。所以为了不在新一轮的载人登月计划中落后,我国载人航天办公室推出了新一代大型运载火箭,初步命名为“921”载人重型火箭。
长征5号运载火箭
美国SLS重型登月火箭
长征9号超重型火箭
全新的921载人登月火箭
全新研制的921载人火箭在设计上大量采用成熟技术,比如全新研制的921载人火箭在动力上继续以液氧煤油发动机为主动力,火箭一级结构上则是早前已经全面在长征5/6/7号运载火箭上大量使用的七台YF-100发动机推力增推版本YF-100K型火箭发动机,三级火箭使用的发动机也是在现有的YF-75膨胀循环氢氧发动机上改进而来的增推版本,所以在大量使用成熟技术的前提下,全新研制的921载人火箭的性能却得到了很大提升,最大的亮点就是其LEO轨道运载能力达到了69.3吨,LTO轨道的运载能力也达到了惊人的27.5吨。可以说光是从这个载荷性能上就已经全面超越目前现役全球最强的“猎鹰重型运载火箭”。
国产YF100液氧煤油火箭发动机
猎鹰重型火箭
以载人火箭的技术指标标准来说,主要要符合:发动机总推力大、具备应急逃生系统三大标准和高可靠性、高安全性、高质量三大要求,特别是三大要求上,发射卫星的火箭可靠性要求大约为0.9,安全性并无特殊要求,而发射载人飞船的火箭可靠性不得低于0.97,安全性要求更要达到0.997。这就要求载人火箭在高可靠性设计上全面采用冗余技术,即关键设备增设备份,使两套系统同时处于工作状态,一旦其中一套出现故障,另一套马上可以接替工作。
神舟载人飞船发射
所以在全球各国采用的载人火箭设计上,为了提高火箭的高可靠性和高安全性指标,都是采用少发动机数量、大推力火箭发动机的方式来实现载人航天需求,毕竟对于传统火箭来说,“推力不足数量凑”是一个被迫采取的手段,因为这种方式会大大降低火箭的可靠性。其中一台发动机出现故障,都会对火箭的成功发射构成致命威胁。而且并联过多发动机,之间也会产生难以预料的耦合震动。因此发动机并联的越多,可靠性越差。一个最典型的例子就是当年苏联的N-1登月火箭,一级使用了30台发动机,结果是全部4次发射均以失败告终而下马。所以像30年后SpaceX公司同样发射一级采用了27台并联发动机的“重型猎鹰火箭”前,马斯克就直接表示重型猎鹰火箭要求同时点火27个发动机,可能会出现很多问题,所以在首飞中就算发射失败也很正常,从中可见在载人火箭设计上大量采用多台并联发动机并不适合载人安全需求。
苏联N1登月火箭
猎鹰重型火箭
但是从全新研制的921载人火箭的设计指标中可以看出,新的921火箭计划采用三台通用一级结构并联的方式实现更大的起飞推力需求,也就是将现有的长征5号火箭一级结构三台并联,但是在动力上直接换发成多达7台YF100K火箭发动机,这就造成很大的一个缺点就是921火箭一级结构将有多达21台发动机并联工作,这样设计就直接和载人火箭高可靠性和高安全性技术标准背道而驰,不利于载人安全。毕竟像此前的土星5号起飞推力更大,但是一级结构只使用了5台F-1火箭发动机,同样计划研制中的长征9号重型运载火箭一级结构也只使用了12台大推力发动机,并且在核心的芯级结构上只有4台,大部分推力仍然由助推级提供,所以从长征9号的助推主提升设计上仍然保证了长征9号实现载人登月的的高可靠性和高安全性需求。
美国土星五号登月火箭
那么新的921载人火箭是如何保证在采用多台发动机并联的前提下,仍然达到载人火箭要求的高可靠性和高安全性技术标准的呢?其实原因也很简单就是一开始说过的大量使用动力冗余技术,以动力冗余技术的定义来说,主要是指火箭同级结构中所有发动机在工作过程中,其中一台发动机不工作时火箭依靠剩余发动机工作仍然能够完成航天发射任务的能力。从动力冗余技术的优缺点来说,如果出现这种情况肯定能够会对火箭带来某些性能上的损失,但是这种损失反而会随着发动机数目的增加而降低,也就是同级结构中火箭发动机数量越多,在冗余技术的控制下仍然能够达到载人航天的高可靠性要求标准。
猎鹰9运载火箭
举个实际例子来说,以新研制的921载人火箭一级结构计划使用的21台火箭发动机来说,单台火箭发动机的可靠性达到载人火箭要求的0.997时,就算是并联的21台火箭发动机有5台发动机出现故障停机,火箭依靠剩下的16台液体火箭发动机仍然能够实现载人航天发射需求。因此对于多台发动机设计的火箭而言,具备发动机冗余技术可大幅提高火箭可靠性水平;当然对于少数台发动机的火箭而言,具备冗余技术的火箭在发射过程中将大大减少火箭失败可能性,这一点对于载人运载火箭意义尤其重大。
至于如何提高火箭发动机的冗余技术?这个就比较复杂了,不是一句两句可以讲清楚的,但是对于像921这种多发载人火箭而言,在采用动力冗余技术后,虽然火箭计算机可以及时的将故障发动机关机来保证安全性和可靠性,但是如果不是火箭发动机故障,比如助推级燃料箱涡轮泵输送流量过慢,或者因为助推级火箭发动机停机数量过多导致被停机的助推级燃料消耗速度慢于另一侧的助推级时,火箭很可能会因为左右两侧重量不同而偏转,所以这就牵扯到火箭动力冗余技术中的燃料交叉输送技术了,这个技术简单来说就是将一级结构的21台火箭发动机和火箭芯机以及助推级上的燃料箱之间联通,也就是21台火箭发动机可以从任何芯级或者助推级的任一燃料箱抽取燃料,这样火箭在飞行过程中也就避免了重心偏移的问题。
当然这是针对于新的921火箭在载人设计需求上需要实现的技术指标,但是这并代表这种设计就是最好的设计的,要不然我国怎么还会研制长征9号呢?美国当年研制的土星五号为什么不采用多台小推力并联,而使用5台大推力火箭发动机的原因。当然像土星5号坚持采用少台数大推力火箭发动机的核心原因也是为了从除了火箭发动机冗余技术外,在包括箭体结构、燃料输送、计算机控制等多个方面提高火箭的高可靠性设计和高安全性需求,毕竟就算是多台发动机大量采用动力冗余技术来提高火箭的安全性和可靠性,但是在燃料交叉输送中的管路可是不能实现冗余技术保障的,毕竟这样做会大幅度增加火箭自身的空重,降低火箭的发射载荷和提高火箭发射成本。更为重要的是更多的硬件在火箭发射中很可能因为不同材料之间的震动频率不同而发生震动耦合,继而导致火箭发射过程中的解体可能性增高。
所以总结来说,未来无论是我国正在研制中的长征九号运载火箭,还是美国在研的SLS重型火箭,甚至包括星际移民火箭肯定都是基于大推力火箭发动机而研制,而不是像921和重型猎鹰火箭这种多台小推力火箭发动机并联的形式存在。