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一文详解:比起美俄日欧,“长征五号”在世界上到底是什么水平?

2019-12-28 23:14:26 来源:前瞻网   阅读量:6018

一文详解:比起美俄日欧,“长征五号”在世界上到底是什么水平?

(截图来源于微博视频)

12月27日晚20:45,寄托着“全村的希望”的中国大型运载火箭“长征五号”在海南文昌升空。点火刹那,耀眼的火光照亮了整片夜空,随后“胖五”巨大的发动机轰鸣直接盖过了隔岸观测场地的哇声一片,在数公里外都能感受到震动。

狗65是什么软件狗65哪里下载狗65去哪儿下载发射后175秒,助推器成功分离;发射后294秒,整流罩成功分离;发射后496秒,火箭一、二级成功分离;发射后501秒,二级成功一次点火;发射后774秒,二级成功一次关机;发射后1772秒,二级成功二次点火;发射后2146秒,二级成功二次关机;发射后2219秒,星箭分离成功,火箭搭载的“实践二十号”卫星平台成功入轨。至此,长五本次发射任务圆满完成。

根据现场直播传来的指挥中心大屏幕上的参数,卫星平台入轨近地点高度192.793千米,远地点高度68016.791千米,轨道倾角19.541°,堪称完美。随后,卫星平台长达40米的太阳能帆板顺利展开,当天全部任务取得圆满成功。

后续在明年1月4日,卫星帆板将二次展开,1月6日定点在125E度的上空。

至此,中国终于很大程度上弥补了历史欠账,可以放眼展望未来。长五的成功发射,为2020年完成后续的火星探测、探月工程三期‘嫦娥五号’、载人空间站等重大项目打下来坚实的基础。

“全村的希望”

早在1986年的“863计划”中,大型运载火箭的研发制造就已提上议程。不过在之后十几年间,中国航天业受困于起步太晚,一方面技术储备不足,另一方面尚未形成大型火箭迫切需求,相关进展缓慢。

更重要的是没钱。上世纪90年代,美国通过的“国际武器交易规则”使中国无法参与世界商业航天发射,使原本就缺钱的航天业雪上加霜,窘迫至一度有传闻称要解散航天部门。因此,相关研究工作也搁置了许久。

但在进入新世纪之后,随着经济发展,航天领域的资源逐渐恢复。同时,美、欧、日等玩家相继提出新的大型火箭方案,国际竞争加剧。

更重要的是,我国的运载火箭需求也在升级。上世纪研发并长期担纲主力的“长征二号”“长征三号”“长征四号”火箭家族,不仅技术落后,而且采用的都是昂贵且有毒的燃料,准备周期长,运力也不足,只能执行近地轨道(LEO)10吨以下的运载任务。

为了克服以上问题,长五的研发提上了日程。一开始的长五是一个模块化设计的火箭系列,其中不同结构排列组合,衍生出小型、中型、大型,大型火箭又分成近地轨道专用型、地球同步转移轨道专用型等。

最终,这些型号发展成了今天的“长征六号”“长征七号”“长征五号乙”长五。在此之中,长五尤为重要,它才是那个能够负担未来月球、火星乃至深空探索任务的大火箭。

按照国际惯例,为了求稳,航天新装备的新技术比例都会压缩在30%左右,但是长五一次性采用了90%的新技术。这种激进做法也导致了后面的研发并不顺利。

作为长五的关键部分,大推力氢氧发动机YF-77的研发从2001年12月就已经开始。但根据官方记录,该项目在2007年“遭遇了国内外罕见的重大技术障碍,先后四次试车结果不理想,直接影响到整个研制进展”。最终在2012年8月17日才实现全部技术突破。

随后的2016年长五运载火箭首飞,虽然官宣成功,但过程实际上惊险重重。首先是发射过程一波三折,甚至在进入10秒倒计时后都被叫停,最终指挥中心下令发射时间延迟近3个小时。关注发射的航空爱好者都表示当时“惊出一身冷汗”。

其次,火箭发射之后的进展实际上并不完美。虽然当日宣布发射成功,但有航空爱好者从稍后的新闻报道中发现,火箭携带的“远征二号”上面级工作时间比预定值多了60%,赋予的速度增量近乎设计值的3倍。这说明作为火箭主体的前2级结构并没有完全将“实践十七号”卫星送到预定轨道。

根据后续消息,当时实际上出现了火箭芯二级异常,载荷未能进入预定轨道,“远征二号”延长了点火时间,才完成任务。

而次年的“长征五号遥二”发射,火箭出现了严重问题,导致任务失败。研制阶段就出状况的2台芯一级发动机YF-77,其中一台涡轮排气装置在飞行346秒发生异常,发动机推力瞬时大幅下降,导致火箭最终坠入西太平洋。

糟糕的是,有消息称,由于火箭携带的传感器不足,故障原因未能第一时间传回发射中心,火箭坠入深海后,想要回收检查更是不可能的事。因此研究团队用了很长时间才定位故障,做出改进。

结果,2018年10月30日,改进好的YF-77试车出现故障。“长征五号遥三”火箭发射推迟到今年年中。

随后,今年4月4日,YF-77再爆出氧涡轮泵出现细小裂纹的问题,又要重新回炉。

在这2年中,由于多次事故和拖延,国内航天爱好者的耐心逐渐耗尽。外界一度传出下马长五,重新研发类似SpaceX“重型猎鹰”的火箭。甚至于,看到SpaceX的成就,还有人喊出解散航天“国家队”,扶持国内民营航天的说法。

好在,昨天“全村的希望”完美实现,让一切质疑烟消云散,中国航天的下一部计划也得以顺利推进。即将到来的2020年,和长五有关的航天看点有3项:

首先是中国空间站任务。根据此前的规划,中国空间站任务将在2022年前后完成空间站在轨建造任务,而在明年,头炮——“长征五号乙”火箭首飞——将打响。

其次是探月工程三期“嫦娥五号”任务。根据规划,2020年,我国将用长五将重达8吨的“嫦娥五号”探测器直接送入地月转移轨道,实现月面无人采样返回。

最后是火星探测器任务。每隔26月出现1次的“火星冲日”天象是发射火星探测器的最佳窗口,因为火星与地球的距离会达到最小值,可以最快将探测器送往火星。按照计划,我国将在2020年由长五搭载“火星一号”探测器升空,随后探测器一次性完成环绕、着陆和巡视探测任务。

领先之中仍有不足

可能对于大多数普通吃瓜人来说,关于长五,他们最关心的问题应该是“比起其他国家的火箭怎么样”。关于运载火箭的水平,可以从2方面分析,分别是能力和技术。

先看能力。火箭说到底只有1个作用:载货。看一枚火箭能力强不强,主要看它的运载能力强不强。

这里简单科普一下,在许多关于航天器,尤其是卫星的报道中,常常会看到LEO、MEO、GEO之类的英文字母,这些指的都是航天器的运作轨道:

LEO指的是低地轨道/近地轨道,轨道高度在距地球2000公里以下;

MEO指的是中地球轨道,轨道为2000-36000公里之间,我们平时用到的GPS卫星就位于这个轨道空间;

GTO是地球同步转移轨道,这是一种椭圆形轨道,近地点距地球不到1000公里,远地点为月36000公里,也就是地球同步轨道的高度。同步卫星都是从这条轨道运动至远地点,再用自身动力变轨至地球同步轨道;

再上面是地球同步轨道,轨道高度约为36000公里,其中又分为地球静止轨道(GEO)、倾斜地球同步轨道(IGSO)、极地轨道同步轨道,又叫太阳同步轨道(SSO)。

按照行业惯例,比较火箭运载能力通常采用LEO运载能力和GTO运载能力2个指标。

根据航天机构官方指标,长五系列火箭的LEO运载能力为25吨,较此前最强的“长征七号”提高了11.5吨;GTO运载能力为14吨,较长七提高了7吨。那么,长五在国际上是什么水平呢?

目前长五对标的全球大型火箭包括美国的“德尔塔-4”(Delta IV)、“宇宙神-5”(Atlas-V)、“猎鹰9号”(Falcon 9),俄罗斯的“质子M”(Proton-M),欧空局的“阿里亚娜-5”(Ariane 5),日本的H2B。为了直观,前瞻经济学人将各种火箭的指标做成表格如下:

一文详解:比起美俄日欧,“长征五号”在世界上到底是什么水平?

可以看到,长五已经妥妥的超过了俄罗斯、欧洲和日本的火箭,仅仅在LEO运载能力上比美国的“德尔塔-4”差一点。这么说。它应该是全世界第2了?

并不是。

在这些LEO运载能力20吨级的火箭之上,还有一个高端玩家,那就是SpaceX的“重型猎鹰”(Falcon Heavy)火箭,其一次性版本LEO运载能力达到惊人的63.8吨,GTO运载能力是同样惊人的26.7吨,当之无愧的全球第1。

所以从运载能力上看,长五是当前排在世界第3的火箭。

那么,从技术上看,长五又如何呢?

基本上,看火箭的技术如何,主要是看火箭发动机的技术,这个问题又可以从技术指标和技术方向上看。遗憾的是,无论是哪一点,长五都并不领先,而且处在较后面的位置。

首先,运载火箭有两大技术指标——推力和比冲。

火箭起飞阶段,万有引力与速度相反,引力的作用是减速,这时候推力必须大于自身重力。这时候推力显然更重要。入轨后,万有引力提供向心力,引力的作用是改变速度方向。推力不必大于自身重力,这时候决定最终速度的比冲更加重要。

以上文提到的各国大型运载火箭为例:

“宇宙神-5”火箭发动机:RD-180液氧煤油发动机,真空最大推力4320千牛,真空比冲337.8秒;

“质子M”火箭发动机:RD-253液氧煤油发动机,真空最大推力1830千牛,真空比冲316秒;

“德尔塔-4”火箭发动机:RD-68氢氧发动机,真空最大推力3445千牛,真空比冲409秒;

“阿里亚娜-5”火箭发动机:Vulcain 2氢氧发动机,真空最大推力1340千牛,真空比冲431秒;

HIIB发动机:LE-7A氢氧发动机,最大推力1098千牛,真空比冲442秒。

而作为长五的芯一级发动机,YF-77氢氧发动机的真空最大推力仅为673千牛,真空比冲仅428秒,是全球氢氧机里面表现最差的。

接下来说说技术方向,这里又能区分成燃料和循环方式来说。

关于燃料,在前述几型发动机中可以看到“液氧煤油发动机”和“氢氧发动机”的说法,这实际上就是在说火箭发动机的燃料,其中“氢氧”是“液氢液氧”的简称,而这2类发动机也是当前的主流方向之一。除此以外还有落后的四氧化二氮加肼类燃料的发动机,这种便是前几代长征火箭采用的路线,目前在全球已经逐渐淘汰。

从技术的先进程度上说,液氢液氧无疑是最先进的。在所有燃料物质中,氢的分子量最小,而氢氧燃烧的热值很高,所以在所有发动机种类中,氢氧机的比冲是最高的。比冲高的意思是,火箭增加同样的速度,氢氧机需要携带的燃料最小,火箭最轻。

其次,氢氧燃烧的产物只有热、水和电,一方面非常环保,另一方面,它的产物非常干净,不用担心因为燃烧不干净,产生一些固体小颗粒,堵塞发动机管线之类的问题。

但是氢氧机也有其难以忽视的缺点。首先,氢的沸点极低,要将其作为燃料储存、加注到火箭内,必须降到非常低的温度,例如长五上的液氢温度为-253℃。为了保证温度,液氢燃料只能在发射前很短时间注入火箭,同时还需要给燃料箱增加保温设备。氢氧燃料的液氧温度为-183℃,和液氢有70℃的温差,二者之间还需隔热设备。

其次,液氢的密度非常小,只有每立方米70千克,是水的7%,就要巨大的储存空间。

此外,氢氧的特性对发动机的核心部件——涡轮泵构成了巨大压力,氢的密度态度,氧泵转速要求高,需要多级泵才能得到需要的燃烧室压力。而涡轮泵本身造成了发动机成本的绝大部分,这么一搞,发动机成本又要提升。

由于液氢的问题难以解决,近年来,液氧煤油发动机又有了复兴之势。相较于氢氧机,尽管液氧煤油的比冲没那么高,但是胜在发动机设计和制造更容易,燃料存储更方便,整体性价比高得多。

液氧煤油的缺点在于,煤油燃烧后会出现积碳现象。美国就是因为在研制过程中炸了好几次机,后续放弃了煤油发动机的发展。而苏联得益于巴库油田的优质低硫煤油,在煤油发动机的研发上顺利推进,当前俄罗斯的煤油发动机技术仍然冠绝全球。

在这2个方向上,我国均有技术储备,例如YF-77发动机就是氢氧机,而长五那4个巨大的助推器,就是采用液氧煤油的YF-100发动机。

遗憾的是,这2个方向虽然是主流方案中最先进的,但并不是最能代表未来的,目前公认的最有前景的燃料技术是液氧甲烷。去年9月,美国联合发射联盟选中蓝色起源的BE-4 发动机作为下一代火神(Vulcan)火箭将采用的发动机。BE-4就是液氧甲烷发动机。同时,SpaceX下一代火箭BFR的猛禽发动机也选了液氧甲烷组合。

液氧甲烷可以说完全融合了液氧煤油和液氢液氧的优点。第1,它的比冲高于液氧煤油;第2,它不会积碳结焦;第3,液氧(-182)和甲烷(-162)的沸点非常接近,存储容易;第4,甲烷的分子量为16,远高于氢的2,密度大很多;第5,设计难度低,可沿用液氧煤油发动机的设计;第6,甲烷的制备难度低,而且在外星球非常常见,可以得到补充。

总体而言,液氧甲烷是一种非常优秀的燃料选择。今年7月,我国民营火箭企业蓝箭航天航天研发的80吨液氧甲烷发动机“天鹊”TQ-12圆满完成100%推力试车,但是这只是初步的100秒试车,其推力也和国外产品相差较大。

再看看循环方式,目前主流的液体燃料发动机循环方式有燃气发生器循环和分级燃烧循环2种,又叫开式循环和闭式循环。

前者是传统的循环方式,利用燃气发生器产生的燃气驱动涡轮泵,运送推进剂。由于燃气在推动涡轮泵后就变成废气排出,并没有得到充分利用,且部分燃料不产生推力,导致性能较低。

分级燃烧循环又叫补燃循环。它实际上是给燃气发生器循环增加了一个补燃环节。当燃气发生器的废弃驱动涡轮泵后,并不直接排出,而是输入燃烧室进行补燃。由于推进剂利用更充分,因此分级燃烧循环的发动机比冲一般较高。

还有一种全部燃料都进入燃气发生器的分级燃烧循环,被称为全流量分级燃烧循环。全流量分级燃烧循环的涡轮燃气流量很大,因此达到同样的涡轮泵功率,涡轮前温度更低,涡轮体积也可以更小,可以降低涡轮泵的技术难度。

在长五上,主发YF-77采用的就是比较落后的燃气发生器循环。

因此,总体来看,长五在能力上是世界首屈一指的大型运载火箭,但在关键技术上还没有达到领先水平。考虑到中国航天起步基础低,又一直存在资金不足的状况,YF-77更大意义上是补了过去的“欠账”。真正要实现技术追赶甚至赶超,还有很长的路要走。

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