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长征-5号的“心脏病”:中国航天的智慧和尴尬

2017-7-6 20:47| 点击快速提问| 查看: 186

摘要: 7月2日晚,第二枚长征5号运载火箭按计划将在海南文昌发射场发射升空。以长征5号为代表的新一代运载火箭,将中国火箭的运载能力提高了一大截,中国进入空间的能力直接步入世界第一集团的最前列。但是需要清醒的认识到 ...


7月2日晚,第二枚长征5号运载火箭按计划将在海南文昌发射场发射升空。

以长征5号为代表的新一代运载火箭,将中国火箭的运载能力提高了一大截,中国进入空间的能力直接步入世界第一集团的最前列。

但是需要清醒的认识到,中国运载火箭的技术水平,并没有像它的运载力那样挤入第一集团的前列。

实际上,如同航空工业一样,航天工业仍然面临着“心脏病”的问题。新一代运载火箭的投入使用是一种改观,但远远没有逆转这种现状。

当下世界GTO运载能力最强的火箭

这次发射的长征-5号运载火箭是长征-5号系列构型中起飞重量最大,也是载荷最大的一种。

按照官方的说法,长征-5起飞质量867吨,地球同步转移轨道(GTO)运载能力14吨,近地轨道(LEO)运载能力25吨级。长征-5的研制成功,是中国进入空间能力的一次巨大跃升。官方的说法是,上一代运载火箭的LEO运载能力8.5吨(其实当年的长征-2E运载火箭达到了9.2吨,只不过因为不太可靠而早就退出现役了)、太阳同步轨道(SSO)运载能力6.1吨、GTO轨道运载能力5.5吨。可以说,长征-5的投入使用,让中国进入空间的能力实现了成倍提高。

 长征-5号的“心脏病”:中国航天的智慧和尴尬

和国产上一代火箭相比,长征-5号的运力提高幅度很大,那么他和现役国际主流大型运载火箭相比又怎么样呢?

我们先来看看运载能力。目前LEO运载能力达到20吨级、GOT运载能力达到10吨级的大推力运载火箭已经成为航天器发射的主力军,这一级别的运载火箭包括美国的“德尔塔-4” 、“宇宙神-5”(又译阿特拉斯-5)、“猎鹰-9”运载火箭,欧洲的“阿里安-5”运载火箭,俄罗斯的“质子”、“安加拉-A5”以及日本的H-2B运载火箭等。

这其中,运载能力最强的是美国波音公司的重型构型的“德尔塔-4”运载火箭,其LEO最大运载能力根据轨道高度不同可以达到23.6到28.4吨之间,是目前近地轨道运载能力最强的,不同来源的数据显示其GTO运载能力为13.8吨到14.2吨,一般认为其为14吨。洛克希德·马丁公司研制的“宇宙神5”(使用了俄罗斯的RD-180发动机)551构型的LEO运载能力达到18.9吨,GTO运载能力为8.9吨;俄罗斯的“质子M”运载火箭的LEO运载能力为23吨,GTO为6.9吨;俄罗斯2014年首次试射的“安加拉-A5”运载火箭的LEO运载能力为24.5吨,GTO运载能力为7.5吨;欧洲航天局的“阿里安-5ES”的LEO运载能力为20吨,“阿里安5ECA”的GTO运载能力为10.7吨;日本的H2B的LEO运载能力为19吨,GTO为8吨。俄罗斯的“质子M”、“安加拉”的LEO运力较大,而GTO运力却比较小,一个重要原因在于其发射场维度较高,向地球同步轨道上发射卫星有点“吃亏”。

这样看来,长征-5号在现役大型运载火箭中运力可谓数一数二了,特别是其在文昌发射时的GTO运载能力,几乎是与重型德尔塔-4在同类火箭中并列第一了。

这个判断一点不假,但就此说中国的火箭技术已经数一数二了,可能就有些乐观了。

首先,从时间来看,上述大型火箭都已经首飞若干年,并投入使用多年。其中重型“德尔塔-4”的首次发射在2004年(但没有成功),较晚的是日的H-2B火箭,2009年发射,最晚的是俄罗斯的“安加拉-A5”,2014年发射。

另外,从运输潜能上看,上述火箭中的不少型号仍然有大幅度提升的空间。之所以大多数火箭运力均低于长征-5号,还主要出于成本和需求的原因。长征-5的一个重要使命是进行空间站发射。而对于其他国家来说,主要是安全、经济地发射卫星,而目前其运载力基本够用。像“阿里安-5”、H-2B,他们的芯一级火箭发动机均为大推力、大比冲的氢氧发动机,二级发动机推力也超过长征-5号,如果为其配备更大的助推器,研制一种运力超过长征-5的大型运载火箭并非不可,只是需求不那么强烈。重型“德尔塔-4”的几次发射都是用于发射美国空军的重型侦察卫星。这次发射的长征-5号运载火箭是用了众多的小火箭发动机,通过系统优化,实现了运能的最大化,其提升空间已经不大。

 长征-5号的“心脏病”:中国航天的智慧和尴尬

 德尔塔-4系列运载火箭的芯级推质比大于一,通过采用不同的助推器实现不同的运载能力。

从运载能力上看,美国上世纪60年代研发成功的用于登月的“土星5号”运载火箭、以及苏联用于发射航天飞机的“能源”号运载火箭LEO运载能力都超过了100吨。更是远远超过了长征-5号,只不过他们均已退役。

同类火箭中推力最小的芯级发动机

最初构想的长征-5号是通过直径为5米的芯级分别与不同数量的3.35米直径(安装两台发动机)和2.25米直径助推器(安装一台发动机)的组合,再加上芯级为一级半和二级半的不同状态,组成一个包括6种构型的庞大家族。

但是后来,所有配备2.25米直径助推器构型均被搁置,因为这些构型的大部分功能能够由更廉价的长征-7号完成。最终确定下来的包括两种构型,即本次和第一次发射的基本型长征-5号和长征-5B。他们不同在于前者是一种两级半的构型,而后者是一种一级半的构型,后者主要用于发射近地轨道载荷,芯级更短些。
 

 长征-5号的“心脏病”:中国航天的智慧和尴尬


当初长征-5设计了多个不同构型,如今只保留了两个型号。

此次发射的长征-5号是一种二级半的运载火箭。一级芯级直径5米,采用两台并联的采用燃气发生器循环的YF-77液氢液氧火箭发动机(以下简称氢氧机),单台地面推力约50吨,真空推力约70吨。火箭发动机在真空中的推力和比冲(燃烧单位质量的推进剂产生的冲量)都较地面上更大,主要是燃烧室内外的压力差不同所决定的,燃烧室内的压力不变,真空中外部的压力几乎为零,那么压力差就更大,所以推力和比冲就更大。这里需要说明的是,YF-77是迄今为止国内研制的推力最大的氢氧机。但是和世界同级别火箭的芯级氢氧机相比,推力是最小的!即便是日本H2B使用的LE-7A,真空推力也有112吨!所以说,长征五号用同级别火箭中推力最小的发动机,扛起了同级别最强的GTO运载能力。

 长征-5号的“心脏病”:中国航天的智慧和尴尬

 
H-2B的LE-7氢氧机采用分级燃烧循环,推力、比冲、循环方式均超过YF-77。

由于并联两台发动机,我们能够很明显地看到芯级有两个喷管,但需要注明的是,不是说火箭有几个喷管就装了几台发动机。因为有的发动机是多燃烧室发动机,例如RD-180是双燃烧室发动机,一台发动机有两个燃烧室,两个喷管。而长征-5的YF-77则是典型的单燃烧室发动机,所以确实是一个喷管对应了一台发动机。

长征-5号芯级周围捆绑4个3.35米的助推器,每个助推器安装两台地面推力120吨的YF-100高压补燃循环的液氧煤油发动机(以下简称煤油机)。该发动机是中国在吸收了俄罗斯RD-120高压补燃煤油机相关技术后,历经多年研制成功的。此前在长征-6号和长征-7号上经历了多次考验。

第二级发动机则是并联两台推力各为9吨的膨胀循环YF-75D氢氧机。他是在之前的YF-75燃气发生器循环氢氧机的基础上改进研制的,比冲更高,对于较小推力的二级发动机来说,循环方式更科学。

YF-75D发动机采用闭式膨胀循环方式,单台真空推力9吨,在长征五号上两台并联使用。

关于循环方式,我们简单的说一说,因为液体火箭发动机的技术先进与否性能高低很大程度上取决于其循环方式。

简单来说,循环就是指将推进剂通过不同方式和路径输送到燃烧室的整个过程,这是一个实现起来很复杂的过程。比较简单的循环方式是挤压循环,就像是注射器给人打针那样,靠压力将燃料挤入燃烧室中。可以通过简单地为储箱增压,通过压力将燃料和氧化剂压到燃烧室燃烧。挤压循环的优点就是避开了结构复杂的涡轮机,泵和输送管道。使用挤压循环可以大幅降低发动机成本和复杂度。但是这种方式的弊端也同样明显,因为压力不能过大,否则储箱受不了,而且随着燃料的逐渐消耗,压力会逐步减少,且携带的压力装置数量有限,这样燃料的输送量就受到限制,很难将其用于大推力的运载火箭发动机,主要用于一些小推力火箭。

于是,人们发展了用涡轮泵将燃料和氧化剂泵入燃烧室。那么用什么来驱动这个泵呢?最早的是便是燃气发生器,这就诞生了燃气发生器循环。燃气发生器循环是一种开式循环,最终的“废气”(实际上仍然含有一定能量)要排放到发动机以外,不能充分利用燃料的“剩余价值”。于是,人们就想到,用发动机燃料的在预燃室燃烧来驱动涡轮泵,通过涡轮泵将大量的燃料泵入燃烧室的同时,第一次燃烧后的气体进入主燃烧室进一步燃烧,这就是分级燃烧循环,也被称为高压补燃循环。这就大致相航空发动机加装“加力燃烧室”,坦克发动机用上了废气涡轮增压(当然不是那么准确)。更重要的是,燃烧室此时进行的是“液-汽”燃烧,要比“液-液”燃烧更可控和充分,当然最充分的是“气-气”燃烧。这种循环发动机燃烧充分,利用效率高,再加上预燃室的推进剂流量大,可以为涡轮泵提供足够的工质,让发动机能在更高的室压下工作,并获得更高的性能。当然,这种循环方式的泵、涡轮和管路系统质量大、复杂,研制难度和成本高。一般来说,大推力发动机主要是使用燃气发生器循环和分级燃烧循环,而后者的比冲通常较高,代表着大推力发动机的先进循环方式。

除此之外,还有一种膨胀循环方式。这种循环方式,燃料燃烧前通常被主燃烧室余热加热,当液态燃料通过在燃烧室壁里的冷却通道时,“膨胀”为气态。膨胀后的气压差推动涡轮泵转动,从而使推进剂高速进入燃烧室燃烧产生推力。这种循环方式要比分级燃烧结构更为简单,但是现有产品的推力比较小,主要用于液氢液氧上面级。但是日本正在研制的打算用于H-3火箭芯主发动机的LE-9发动机采用了膨胀排放循环,真空推力高达150吨,比H-2B运载火箭的采用分级燃烧形式的芯级主发动机LE-7还高出不少。

长征-5芯级使用的YF-77液氢液氧发动机就是一种燃气发生器循环发动机,它与先进国家的大推力氢氧机,包括日本的H-2B使用的分级燃烧的LE-7氢氧机相比技术上仍然落后不少,不仅推力小(不到LE-7的一半),而且比冲也偏低。而YF-100的研制成功,虽然使中国成为世界上第二个掌握高压补燃煤油机技术的国家,但是与俄罗斯的煤油机的推力仍有差距,美国不用高压补燃煤油机,更主要的原因还是技术路线的问题,而非不能。

和重型“德尔塔-4”火箭一比,就能看出长征-5号和世界先进水平差在哪里。重型“德尔塔-4”的LEO运载能力超过了长征-5号,GTO能力相当,但是起飞重量却只有732吨,比长征5号轻了近140吨。重型“德尔塔-4”的一级包括一个芯级和两个助推器,两侧的助推器和芯级都是一样的5米直径构型,只用了3台RS-68A氢氧发动机。RS-68A是一种先进的燃气发生器循环氢氧发动机,其海平面最大推力3137千牛(是YF-77的6倍多),真空比冲411.9秒。其实真空比冲不算高,但是他针对大气层内飞行进行了优化,海平面比冲超过YF-77不少。客观来说RS-68A虽然推力高,但循环方式并不是太先进,真空比冲在氢氧机种也不算高,如果和日本的LE-7系列比较,比冲就更小些了。

  总体说,长征-5的发动机技术,如果放在美俄,大概是在上世纪60年代初中期就实现了的。但是我们不能简单地说长征-5的火箭发动机就是上世纪60年代的水平,因为那是一个火箭发动机大发展的时代,一些“史诗般”的作品和技术就诞生在那个年代。例如,美国用于登月火箭的F-1燃气发生器循环氢氧机,截至目前仍然是世界第一大推力的单燃烧室液体火箭发动机。那个年代苏联研制的用于登月火箭N-1的NK-33高压补燃煤油机,封存到了新世纪,启封后还卖给美国公司组装“安塔瑞思”火箭。

通过上面的介绍,我们大概也了解到,火箭发动机同样是航天业急需提升的一个弱项,就像发动机对于航空工业一样。所以有知乎用户调侃:“其实国产火箭发动机一直就是弱项,万户当年就是因为国产发动机不行才失败的。”

人们有一种印象,认为中国航天发射的成功率很高,但是根据航天科技集团专家的统计,在本世纪初设想研制长征-7号和长征-5号的时候,长征系列运载火箭在当时10种主要运载火箭中,其发射成功率位居第七,处于中间偏低的位置。长征-3甲系列运载火箭经过多轮的可靠性提高改进,才使其可靠性达到较高的水平,但是其总发射量相对美俄经典火箭偏少,一次失败,就会令其总体成功率降低不少。

其我国目前使用的长征-2、长征-3和长征-4号运载火箭的基本设计都脱胎于上世纪70年代研制的东风-5号洲际弹道导弹。而东风5号的发动机采用的发动机基本上是美、俄上世纪五十年代末的技术。

当然,火箭使用的液体火箭发动机也不能光去拼比冲、推力、推重比等硬指标,可靠性、成本更是需要考虑的重要方面。从这方面来看,我国新一代火箭各项指标还是比较均衡的。当我们为长征-5号的成功而鼓掌,感到欢欣鼓舞的时候,我们也要看到并正视差距。同时更要知道,这是中国在长期有限的资金和科研投入长期欠账下取得的难得的成就。同时,我们有理由对中国火箭的未来更有信心。

毕竟长征5号的研制团队平均年龄只有35岁,长征5号,只是一个开始,未来属于他们。
来源:www.weixingcanshu.com


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