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再谈长征五号:没有失败的航天不叫航天!

2017-7-9 19:18| 点击快速提问| 查看: 41

摘要: 7月2日晚8时08分,新华社发布消息:7月2日19时23分,我国在中国文昌航天发射场组织实施长征五号遥二火箭飞行任务,火箭飞行出现异常,发射任务失利。长征五号遥二发射失利,航天业是高风险行业。对于一枚全新的运载 ...


7月2日晚8时08分,新华社发布消息:7月2日19时23分,我国在中国文昌航天发射场组织实施长征五号遥二火箭飞行任务,火箭飞行出现异常,发射任务失利。


长征五号遥二发射失利,航天业是高风险行业


对于一枚全新的运载火箭来说,在其头几次发射中出现失利,并不是一件太让人感到意外的事。美国的重型德尔塔-4、欧洲的阿里安-5、日本的H-2、中国的长-3系列,都是经历了至少一次失利,才逐步走向稳定的。中国的工业底子不及欧美,出问题没有必要对航天业过多苛刻的责备。


欧洲的阿里安-5在1996年6月4日的首次发射就以爆炸告终,第二次发射部分失败。到今年6月28日,阿里安-5共进行了94次发射,所有的失败都是在前14次发生的,包括在第10次的部分失败和第14次的失败。自从2002年12月的那次失败之后,阿里安-5均获得成功。所以,长征-5号失利不可怕,关键是找到问题的根源,逐步完善。另外,航天是高风险活动,正是因为如此,航天工程师不应成为高风险职业,航天工程师不应受到额外的处罚和压力。


1996年6月4日,欧洲阿里安-5首次发射,以爆炸告终。


我们再回到长征-5号,仔细分析下这次发射的长征-5号的构型,就能感觉它太复杂了,也太有特色了。其一级总共有10台发动机(2台YF-77和8台YF-100),芯级两台发动机并联的地面推力也只有约100吨,远远低于任何一台助推器的推力(约240吨),在起飞推力中贡献最小。可以说,长征-5号是靠着捆绑的助推器推上天的。



阿里安的4次失利集中在前14次发射中。


其芯级的推质比小于1,芯级自己飞不起来,而且差的比较多。此前的中国的长征二号、长征三号系列,助推器也只是起到锦上添花的作用,不用助推器光靠芯级也是能上天的,只不过载荷小点。很多经典火箭的芯级推质比都是大于一的,比如美国的阿特拉斯(宇宙神)、德尔塔,它们通过捆绑不同的助推器,实现非常灵活的构型,将但范围载荷送入不同轨道。日本的H-2B运载火箭芯级推质比也不到1,但情况好些。其总重为总重量531吨(除有效载荷),其固体助推器单台重量76.6吨(真空推力1750千牛),也就是说芯级重量大约230吨,而其芯级的两台LE-7发动机的真空总推力大约224吨(当然海平面推力会低一些)。


这样,长征-5的一级总共安装了10台发动机,这从一定程度上降低了整体的可靠性。传统的设计观点认为,并联发动机越多,可靠性越差。为了简化起见,假设两台可靠性为0.9的发动机,将其简单并联在一起总体可靠性就降低为0.81。所以传统的火箭设计思想比较忌讳并联太多的发动机。苏联当年的N-1登月火箭几次发射全部失败,并联的发动机太多也是一个重要因素,这种火箭的一级并联了30台NK-33火箭发动机。


当然,这一定律在美国SpaceX公司的“猎鹰9”号运载火箭诞生后被颠覆了。该火箭的一级采用了9台“默林1D”发动机,但是火箭的整体可靠性却非常高。按照该公司的宣传,火箭起飞后如果其中一台发动机出现问题、90秒钟后两台发动机故障都不影响发射,因为其他发动机可以多输出功率,来弥补这一两台发动机的动力损失,所以整体可靠性反而有大幅度的升高。“猎鹰9”之所以具备这项“神技”,主要原因是其涡轮泵可以在大范围内调节,这样其火箭发动机推力的调节范围就非常大。想一想,它能靠着自己的火箭发动机垂直返回,就知道其推力调节范围之大和敏捷度之高了。当然,这种动力冗余技术可能会带来成本升高,本来8台能干的事让9台发动机来干,似乎是多了一些死重。但是对于“猎鹰9”来说这又不是问题,因为它的一级是可以回收再利用的。



美国的猎鹰9的芯一级虽然使用了多达9台发动机,但火箭起飞后如果其中一台发动机出现问题、90秒钟后两台发动机故障都不影响发射。


目前,推力调节能力也是目前主流运载火箭的一种必备技能。但是在上一代长征火箭不具备这种能力。而长征-5号和长征-7号的发动机已经具备了一定范围内的推力调节能力。但是这似乎并不能像“猎鹰-9”那样用来提高其可靠性。因为长征-5号运载火箭弹4个助推器的液氧和煤油储箱是独立的,一旦有一个助推器发生问题,即便其他发动机通过提高自身推力来弥补,但是这些燃料是无法共享的。


即便如此,长征-5号的设计可靠性仍然是非常高的。长征五号的核心控制仪器普遍采用了三余度技术,也就是有3个相同的设备仪器相互备份。中国现役火箭的设计可靠性最高的是0.97,而长征-5号整箭设计可靠性达到了0.98,而其氢氧发动机的可靠性则高达0.9898,当然这都是理论值,而且不等同于发射成功率。


有人或许会问,为何芯级不同样采用液氧煤油发动机呢,“劲”还大不少,至少可以少并联一台发动机。理论上并非不可。但是煤油机的比冲相对较低,达到相同的总冲,就要求携带更多的燃料和氧化剂、储箱也更大,这样迭代后的火箭重量会大幅飙升。以说,正是靠着这芯级的两台YF-77,长征-5号才能减重瘦身。


说起“瘦身”,可能会有人说,“胖五”哪里瘦啊,太胖了。胖源自于它5米直径的芯级。它的芯级推力那么小,为何要搞那么粗呢?一方面的原因是液氢的密度低,其储箱要大。常规的偏二甲肼的密度大约每立方米800千克,而液氢只有70千克。如果火箭直径做得小,燃料体积又大,那火箭长细比就太大,不利于控制。


那么为什么不搞一台推力更大的氢氧机?按照龙乐豪院士的说法,之所以选择50吨级氢氧发动机而不是100吨级氢氧发动机,当时主要考虑两方面原因。一方面,50-100吨推力的芯级发动机对火箭总体设计结果没有实质性的影响。用于一级时,50吨级的发动机可以并联两台使用,而且50吨级发动机还可用于上面级,百吨级发动机却不能。另一方面,50吨级发动机的研制难度相对较小,投入也少一些,这样更适合缺乏大推力氢氧发动机研制经验的中国。要知道,在该发动机研制之前,中国推力最大的氢氧发动机YF-75推力只有7吨。即便是50吨级的YF-77发动机,其研制过程也是历经坎坷,试验时多次发生事故(对于试验来说也算是正常)。而这次的长征-5号的失利以及长征-5遥一的部分成功,问题很可能都是出在了氢氧机上。


一个有意思的现象是,尽管中国长征-5号运载火箭使用的几种发动机在同类发动机中的比冲不算高,但是整枚火箭的载荷系数却不低。如果与欧美日同级别运载火箭相比,大概只比完全采用氢氧发动机的“德尔塔-4”略低些。这主要是因为长征-5的氢氧主发动机和液氧煤油助推器的混搭方案带来优势。这种混搭也是一种中国特色和中国创造吧。而其他运载火箭多采用了比冲较低的固体燃料助推器,“宇宙神”不仅采用了比冲较低的固体火箭发动机助推器,还采用了液氧煤油发动机作为主发动机,所以在上述火箭中的载荷系数是相对较低的。


固体火箭发动机的比冲虽然较低,但是体积比冲高,也就是说提供相同的比冲时,体积小因此使用起来比较方便,而且固体火箭发动机结构简单、可靠性高,被普遍用于大型火箭发动机的助推器。哪怕它拉低了火箭的载荷系数。


液氢液氧发动机不容易驾驭。


中国以前在固体火箭发动机的研制上相对落后一些,特别是大型固体火箭发动机,对燃料的浇筑、壳体等要求都很高。随着国内固推技术的进步,中国近年来也在开始研制大型的固体助推器,相信今后将会应用到新型火箭上。


目前实际上航天业并不太看重这个载荷系数,大一点小一点对于评价火箭来说不是决定性的。这一点和战斗机不同,战斗机发动机推重比的增加将会给战机机动性带来直接影响。而火箭发动机的比冲多一些少一些不会直接影响到火箭的竞争力,毕竟火箭需要的是安全、可靠、廉价、推力满足要求。


我们再回到长征五号上和中国航天上。在我们普通人看来,今天看到长征五号这次发射的失利,感觉很痛心。但是在航天工业发展的历史长河中,这样的失败真的不算什么。中国航天曾经面对的压力和困难远非现在能够想象的。但是,一路走来,航天人披荆斩棘,克服一个一个困难,一直走到了世界航天工业第一集团。我们相信没有什么困难是不能克服的。


最后,我们用中国航天之父钱学森的一句话与航天人一起共勉:”科学试验如果次次都能成功,那又何必试验呢?经过挫折和失败,会使我们变得更聪明。”



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