主题:【原创】关于我国的长征5火箭 -- 李诗雅

大河奔流 导读 复 78 阅 249339

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2009-02-18 19:31:48
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李诗雅李诗雅`27254`/bbsIMG/face/0000.gif`70`98`1428`19188`正四品下:通议大夫|壮武将军`2008-08-27 19:24:20`
【原创】关于我国的长征5火箭 194

2006年写的旧文,挂出来充字数,混分早日跑出新兵营FF

前言:

前一段时间,新一代大型运载火箭发动机成功试车的消息传来,让我们这些航天爱好者很是高兴了一下,于是抽出时间,写了这篇回顾我国新一代大型运载火箭的陋文。

早在1980年代后期的时候,航空知识的海外看中国系列中,曾出现过带8个助推器的CZ-2改型火箭,算是对我国大型运载火箭的较早消息了。在863计划中,航天方面的两个重点就是新一代大型运载火箭和载人飞船。知道这些的时候,我年纪还很小,曾经憧憬过做航天员的梦想,因为那时看来,运载火箭似乎更容易做一些。而载人飞船,大概要很久吧。那时冷战尚未结束,那是一个激昂的年代,美国人的航天飞机,苏联人已经发射的暴风雪号航天飞机,美国人规划的空天飞机,日本人的希望空天飞机,德国人的桑格尔空天飞机,英国人的霍托尔空天飞机,当然还有这些欧洲人取消各自计划,准备用阿里安5发射的莫尔索斯空天飞机,当时看来,中国人肯定也要开发空天飞机至少航天飞机,毕竟钱学森教授早在1950年代,在<星际航行概论>中就提出过结合航空技术和航天技术的设想。没曾想,命运对我开了个玩笑,1999年,神舟一号升空,而原定21世纪初期首次发射的新型大型运载火箭此时还未立项,本世纪初曾到处传说2008年新型运载火箭会首次发射,但是立项的消息遥遥无期,规划表又推迟到2012年发射了。不过好在技术的细节,一天天的清晰起来。

现状:我国发动机技术的落后

或许并不是众所周知的,我国航天过去30多年来取得了辉煌的成就,但是关系到技术先进性的发动机技术上,在1990年代以来就没有什么进展,CZ-1到CZ-4的发动机,主要基于两个系列:

1. 地面推力75吨的YF-20四氧化二氮/偏二甲肼发动机及其衍生型号,CZ-2一子级的DaFY6-2发动机(4台YF20并联),二子级的DaFY20-1发动机;CZ-2以及CZ-2E/F火箭助推推器DaFY5-1(4台YF20并联);CZ-3一子级的YF-21B发动机(4台75吨的YF20并联),二子级的YF- 24D(YF20改进型号,推力仍为75吨级);CZ-3B助推器的DaFY5-1发动机(4台YF20并联);当然还有CZ-4的一子级(YF- 21,4台YF20并联)和二子级(YF-22,YF20改进型号),CZ-4A的一子级(YF21B),二子级(YF22)发动机等。

2. 真空推力约8吨的YF75液氧液氢发动机,用于CZ-3A,B,C的三子级。

除此之外,还有一些其他的液体燃料发动机,如用于CZ-3三子级的YF73发动机,真空推力约4.5吨,这是我国首型液氧液氢发动机;CZ-4A,B的三子级发动机YF40,真空推力约5吨。此外还有一些固体燃料发动机,如CZ-1D的三子级发动机SPAB-14B,HTPB推进剂,推力约16.5吨,变轨级的OM-1发动,HTPB推进剂,推力约0.8吨;CZ-2C的分配器,HTPB推进剂,真空推力约7.5吨。

这些发动机中,YF20发动机直接源自我国上世纪60年代中期,开发远程/洲际导弹所用的液体发动机,年代久远不说,推力和新一代大推力发动机相比实在不足,导致我国运载火箭的发动机台数过多,一定程度上影响了运载火箭的可靠性;YF73用于CZ-3号,开发开始于上世纪70年代后期,CZ-3在1984 年2月发射时出现了问题,好在4月终于发射成功;由于是首次采用新的液氧液氢发动机技术,为此研制了YF40发动机和配套的CZ-4作为备份(实际上 CZ-3与CZ-4的一子级二子级完全一样,不同在于CZ-3三子级是YF73,CZ-4三子级是YF40);YF75作为更大推力的液氧液氢发动机,用于CZ-3A,首发是在1994年2月;此后至今,投入使用的发动机,技术就再没有什么进展了。

在我国新一代运载火箭开发停滞不前的同时,国外新一代运载火箭开始投入使用。如美国洛克希德马丁公司的宇宙神5,一子级采用俄罗斯和美国联合研制的 RD180液氧煤油发动机,最大推力高达423吨,可以在47%~100%之间调节推力;美国波音公司的德尔塔4,一子级采用RS-68液氧液氢发动机,RS68是美国自SSME(航天飞机主发动机)以来研制的第一型大推力液氧液氢发动机,也是世界上推力最大的液氧液氢发动机,真空推力高达338吨;同时ESA(欧洲航天局)的阿里安5大型运载火箭,采用了火神/火神2大推力液氧液氢发动机,推力分别为117/138吨;日本的LE7和LE7A大推力液氧液氢发动机也在H-2和H-2A上投入使用,LE7A推力为112吨。这些大推力火箭发动机的使用,极大的提高了运载火箭的性能并减低了使用成本。这种形势下,开发新一代大推力火箭发动机并依此设计新一代运载火箭成了迫在眉睫的工作。

开发:我国新一代发动机

新一代大型运载火箭当然不可能再沿用上世纪60年代技术开发的YF20发动机去拼凑,而只能开发新一代的大推力发动机。不过,上世纪90年代,曾经流传一种说法,要通过加长CZ-2E的助推器,提高运载能力,将LEO的运载能力提高到14吨左右,这种传说中的CZ-2EA火箭,只是新一代大型运载火箭服役前,不得已的敷衍之计,暂且不提。

事实上,我国新一代大推力发动机的开发,时间并不晚。最晚上世纪90年代中期,就开始了新一代120吨级液氧煤油发动机YF100的开发工作。根据外界流传的说法,120吨级大推力液氧煤油发动机和俄罗斯的RD-120发动机有一些血缘关系,90年代中期,我国从俄罗斯引进两台RD-120液氧煤油发动机 (推力约85吨),用于研究液氧煤油发动机的相关技术,这可以看作是YF100研制过程中的一个里程碑。需要注意的是,RD120和著名的 RD170/180/190/191系列没有直接关系,技术水平要低一些,目前只是用于海上发射的天顶号运载火箭的第二级。根据零星的报道,2002年5 月16日,120吨推力的YF100发动机进行了整体试车并获成功。

与此同时,传说中的YF77也进入开发阶段,曾经有一段时间,或许是爱好者们对高技术的狂热,亦或开发者们对新技术的追求,YF77被说成是典型的分级燃烧式液氧液氢发动机,不过很遗憾,进入新世纪后随着越来越多信息的公开,已经明确了这是一种燃气发生器循环的液氧液氢发动机。从技术上说,燃气发生器循环方式的发动机要落后一些,尤其是真空比冲要低了不少,目前曾经投入使用的大推力液氧液氢发动机,用于阿波罗计划的土星5号二子级的J2发动机是普通的液氧液氢发动机,但是随后的航天飞机主发动机(SSME),苏联/俄罗斯大型运载火箭能源号芯级的RD1020都是分级燃烧式发动机,冷战时期针锋相对,感觉真的是技术发展的黄金时期。此后日本人的H-2/H-2A运载火箭的LE7/LE7A采用的也是分级燃烧式发动机,但是命运多舛,频繁出现发射失败问题;与此同时,ESA投入使用的阿里安5的芯级采用了较为简单的燃气发生器循环方式的发动机。更重要的是,技术的领头羊美国人研制的新型液氧液氢发动机RS68 居然也是燃气发生器循环方式,为的是降低成本提高可靠性,缩短开发周期。日本与欧美两方面的对比毫无疑问对中国的开发工作产生了影响,最后采用相对低端但是更廉价可靠的燃气发生器循环方式,尽管有些遗憾,但是也是可以理解的。

进入21世纪后,在新一代发动机的路线图中又出现了新的YF115发动机的身影,对于这个突然出现的型号,如果没看到它的性能数据,很容易联想到上世纪 YF73对YF40的故事,但是YF115并不是YF77的竞争者,事实上,它是一台推力在15吨级的分级燃烧液氧煤油发动机,主要用于新一代运载火箭的上面级,真正竞争的对手,应该是YF75液氧液氢发动机。分析认为这可能主要是为了掌握分级燃烧/高压补燃的新技术,作为技术积累用。毕竟即使采用高压补燃,但是液氧煤油发动机的比冲,比之燃气发生器循环的液氧液氢发动机,仍然是差了很多的,典型的例如RD180真空比冲为330秒,但是RS68真空比冲可达402秒,ESA的火神更是高达422秒之高。当然,采用高压补燃的液氧煤油发动机,比之原来的四氧化二氮/偏二甲肼燃料的发动机,性能尤其是发动机比冲要高出不少,典型的如我国YF40发动机,真空比冲仅为294.2秒,如果是大型的发动机推力与RD191(190吨推力,真空比冲338秒)如DaFY6-2,真空比冲更是仅有255秒。大胆猜测一下,采用YF115发动机作上面级的CZ-5型号这将是CZ-4的后继。

最近一段时间,不断传来YF77和YF100试车的消息,显示发动机的开发相当顺利。2006年1月15日,人民网报道50吨液氧液氢发动机(YF77)进行了200秒热试车;根据《中国航天报》的确切报道,2006年4月17日,120吨液氧煤油发动机(YF100)成功进行了400秒长程试车;最新的消息是来自《新闻联播》,报道提到2006年7月3日,我国新一代大型运载火箭120吨液氧煤油发动机(YF100)进行了首次600秒试车并喜获成功。

新一代火箭的结构

按照构想,采用新型大推力发动机的新一代运载火箭将形成一个系列,彻底取代原有的CZ-1/2/3/4各种型号的火箭,这样的模块化设计,可以降低使用费用,同时使用大推力发动机,减少了发动机数目,也更容易提高可靠性。

我国新一代运载火箭将采用2.25米,3.35米和5米三种直径,运载能力覆盖LEO(Low Earth Orbit:近地轨道)约1.2吨到25吨,GTO(Geostationary Transfer Orbit:地球同步转移轨道)约1.8吨到14吨的范围,不仅可以完全取代原来的各型运载火箭,而且扩大了LEO和GTO的运载能力。截至目前,LEO 运载能力最大的CZ-2F不过8吨多,GTO运载能力最大的CZ-3B不过是5.1吨,新一代火箭对运载能力的扩展还是很大的。

5 米直径模块采用两台50吨推力液氧液氢发动机YF77,是新一代运载火箭的核心模块;3.35米模块采用两台120吨的液氧煤油发动机YF100,它既可以作为5米直径大推力运载火箭的助推器,也是3.35米火箭系列的芯级;类似的,2.25米火箭模块采用一台120吨的液氧煤油发动机YF100,既可以作为大推力火箭的助推器,也是小型火箭的芯级。

在5米直径的CZ-5系列火箭中,按规划分为A,B,C,D,E,F等6种型号,相关数据表格如下:

点看全图

说明:长度单位为米,起飞重量单位为吨,起飞推力单位为千牛,运载能力单位为吨

LEO:近地轨道;GTO:地球同步转移轨道

<以上表格数据引自《中国航天》龙乐豪先生的文章>

与国外新一代大推力运载火箭相比,我国的大推力运载火箭在运载能力上难分高下。如波音公司的全重德尔塔4火箭(Delta 4H),LEO运载能力24吨,GTO运载能力14吨;已经取消的阿里安5重型火箭(Ariane 5ECB),LEO运载能力约22吨,GTO运载能力约12吨;俄国超重型安加拉火箭(Angara A5 UOHB)LEO运载能力约28吨,GTO运载能力约8吨。已经取消的H-2A 222型号(这种超重型型号已经取消,JAXA正在开发新的H-2B火箭)LEO运载能力23吨,GTO运载能力约10吨。

由于新一代大型运载火箭采用比冲较低的液氧煤油发动机作为助推器,芯级液氧液氢发动机也是采用相对而言比冲较低的燃气发生器循环方式,因此在运载系数上,新型运载火箭比之日本的H-2A/B,美国的Delta4要低一些,不过比之采用大推力固体助推器的阿里安5要高一些。

在开发过程中,我国工程技术人员并没有贪高求远,盲目追求过高的新技术指标。尽管现在看来,新一代发动机单机推力偏小,但是考虑到两种主要发动机发动机实际开始开发的时间很早,只不过由于种种原因,不仅大型运载火箭迄今尚未正式立项,而且发动机开发进度一再推迟,将技术的相对落后推卸给当时确定指标的技术人员是不负责任的。从总体看来,新一代的CZ-5运载火箭的运载能力完全符合我国当前和未来相当长一段时间的需求,也没有必要单纯为了技术的先进一再调整指标。毕竟,在这方面,由于盲目追新不断调整技术指标提高要求的原因,我国的防空导弹和航空发动机的发展都曾付出过不小的代价。

后记:

文章中提到的数据均为公开数据,其中长征系列的型号及性能数据来自《中国航天》杂志和中国运载火箭研究院提供的官方数据,国外火箭及其发动机数据来自各自的官方网站如NASA,ESA,JAXA等。


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晨枫 选转。我不是马甲 荐,
2009-02-18 19:31:48

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