从龙乐豪院士的PPT开始——浅谈长征九号的设计演进

他来了，他来了，他带着最新的PPT叕来了……

TA改了，TA改了，长征九号的构型叕改了……

2023年2月28日，中国工程院院士、战略导弹与运载火箭专家龙乐豪院士在“南理工校友终身学习云讲坛”上做了《长征火箭与中国航天》的主题演讲。演讲中长征九号火箭的方案不出意外的又双叒叕改了！算起来这已经是长征九号第五次重大改版了。

21世纪初，服役20余年美国航天飞机逐渐达到使用年限，特别是2003年“哥伦比亚号”航天飞机的失事，进一步加速了美国对下一代重型航天运载工具的研制进度，随着重返月球“星座计划”的推出，美国开始以航天飞机的成熟技术为基础研究战神系列火箭。期望能够再现当年冷战时期“土星五号”的辉煌。而后星座计划下马，战神火箭研发取消，改为研发SLS火箭。与此同时，为在新一轮的航天竞赛中占有一席之地，俄罗斯也提出了“叶尼塞”重型运载火箭的研制计划。当时我国正在全力研制长征五号系列火箭。但根据我国长期以来的“装备一代，研制一代，预研一代”的传统，重型火箭也开始进行论证工作。

我国的重型运载火箭最早坊间传闻有可能会被命名为“长征八号”，芯级8米直径，助推器3.35米直径，全高88米，两级半构型，芯一级采用液氧煤油发动机，捆绑4个同样使用大推力液氧煤油发动机助推器，近地轨道运载能力100+吨，整体设计尺寸类似于苏联“能源号”火箭，只不过是把载荷放在头部。这在早年间各大论坛和科普文章中都有所提及，只不过一直未得到官方确认。而随着后来“长征八号”的编号给了中型可重复使用火箭，最后发展成了现在的长征八号火箭，才印证了这确实是个传闻。

长征九号早期论证的时候有A、B两条技术路线：一是9米直径芯级捆绑4个3.35米的液体火箭助推器，其中9米芯一级使用4台650吨单喷管高压补燃液氧煤油发动机，助推器使用1台650吨单喷管高压补燃液氧煤油发动机，芯二级使用2台200吨液氢/液氧发动机。二是9米直径芯级捆绑4个3.35米固体助推器，单个固体助推器推力1000吨，芯一级并联使用4台200吨液氢/液氧发动机，芯二级使用1台200吨液氢/液氧发动机。两种构型火箭虽然技术路线不同，但都能满足起飞重量在4000吨左右，起飞推力5200吨左右，火箭全高100米左右，近地轨道运载能力在130吨左右。

图一,2008版长征九号固推型和液推型外形基本一致，差别主要在于火箭各级的动力系统。(本图来源于网络)

随着长征五号火箭研制的进行，科研人员开始对长征九号对早期论证的技术方案和实现难度有了更清晰的认识，特别是YF100接连在实验台上爆炸，更是将大家拉回了现实，首先是千吨级固体助推器的方案被确定为后备方案，重点优先发展液体助推方案，并将液氧煤油发动机的推力下调为500吨级，同时液氢液氧发动机比冲指标也有所调整，整体技术方案倒是更加类似于早年间传闻的“长征八号”方案。在2010年前后，各类专家学者的众多论文层出不穷，各种方案多如牛毛。诸如660吨双室液氧煤油发动机，330吨单室液氧煤油发动机等等。但就算这样单喷管500吨级液氧煤油发动机的研制难度仍然要比想象中的困难。

一直到2011年，芯一级发动机的主动力确定为发展480吨级双喷管分级燃烧液氧煤油发动机，研制难度进一步降低，并且有苏联RD180系列发动机作为参考，更加符合技术发展的规律。长征九号也因此迎来了第一次官方确认的方案，而助推器的直径也升级到5米。构型也从两级半升级为三级半。

图二,2011版长征九号三种构型。(本图来源于网络)

在2011年到2021年这十年的时间里,虽然个别指标有所优化和更改,但长征九号的发展大致是按2011版进行的,10米直径箭体预研,480吨级双喷管液氧煤油发动机YF-130、220吨级分级燃烧液氢液氧发动机YF-90、25吨级膨胀循环液氢液氧发动机YF-79相继完成设计，转入初样设计和半系统、全系统试车。文昌发射场也已预留发射工位选址。如果不出意外，2030年前首飞的长征九号就会是这个样子！

但不出意外的意外还是出现了，在这期间“神人”马斯克及其主导的猎鹰9号和重型猎鹰火箭彻底的搅浑了航天发射市场的格局，猎鹰火箭以其高可靠性，超低成本，炫酷的可回收技术秒杀一众现役运载火箭。而猎鹰火箭在马斯克的眼里不过是小试牛刀，可以让马斯克实现移民火星终极目标的星舰才是彻底颠覆人们对航天运载工具认知的火箭，从2018年到2021年短短的3年时间里，马斯克就让坑坑洼洼的不锈钢大铁罐飞上距离地面10公里，并安全返回地面。

而我国紧跟趋势的发展，也在2021年提出了长征九号的无助推器新构型，新构型对动力系统又做了调整，其中液氧煤油发动机以480吨级双喷管发动机涡轮泵为基础，研制360吨级单喷管液氧煤油发动机，220吨级液氢液氧发动机也进一步降低为120吨级，以120吨级一型液氢液氧发动机满足原本220吨级液氢液氧发动机和25吨膨胀循环发动机的需要，对火箭进行进一步简化。