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想讓中國火箭更有力 要靠這些“神操作”

新聞來源:科技日報 更新時間: 2020-07-14 08:56

  兩個月完成10次發射

  想讓中國火箭更有力 要靠這些“神操作”

  最近中國航天很忙,從5月5日到7月9日兩個月時間,就實施了10次發射,先后由長征五號B、快舟一號甲、長征十一號等型號運載火箭,執行了新一代載人飛船試驗船以及多顆衛星的發射任務。

  眾所周知,火箭是用于航天活動的運載工具。正如地面上有不同種類的汽車,火箭也分為不同型號,“力氣”有大有小,根據各自的特點和運載能力,執行不同的任務。

  那么,火箭按照運載能力如何分類,不同類型的火箭發動機有何特點,火箭的運載能力又該如何提升?中國航天科技集團一院(以下簡稱一院)型號設計師錢航以長征系列運載火箭為例,向科技日報記者進行了介紹。

  不同類型火箭各有所長

  今年5月5日,長征五號B運載火箭在我國文昌航天發射場升空,上演了首秀。未來,這型“大火箭”將在中國空間站建設中發揮重要作用。

  把長征五號稱為“大火箭”,可不光指個頭。錢航介紹說,按照運載能力大小,運載火箭可以分為小型、中型、大型和重型(超重型)4類。不同類型的火箭各有所長。

  目前這種分類方法尚無統一的量化標準,我國航天界一般將近地軌道運載能力在20噸至100噸的運載火箭,以及其衍生構型稱為大型運載火箭。

  由一院抓總研制的我國新一代大型運載火箭長征五號系列,目前發射過2種構型。長征五號B為一級半火箭,是我國現役運載火箭中唯一一款無需級間分離,可以直接發射入軌的火箭,可靠性大為提升。同時具備超過22噸的近地軌道運載能力。這些特點,讓它成為承擔我國空間站艙段發射任務的不二之選。長征五號基礎型則為兩級半構型火箭,雖然其近地軌道運載能力可以達到25噸以上,但它的任務卻主要瞄向更深遠的太空。

  長征五號火箭地球同步轉移軌道運載能力約為14噸,可以承擔基于東方紅五號平臺研制的大型通信衛星發射任務。該型火箭還具備8噸以上的地月轉移軌道運載能力,以及5噸左右的地火轉移軌道運載能力。按計劃,2020年我國將先后用長征五號火箭發射天問一號火星探測器以及嫦娥五號月球探測器。

  中型運載火箭的近地軌道運載能力,通常在2噸至20噸。在長征火箭家族中,這一類別的火箭陣容龐大。曾經承擔全部北斗衛星以及嫦娥系列探測器發射任務,被譽為“金牌火箭”的長三甲系列運載火箭;完成11艘神舟飛船和天宮一號、二號空間實驗室發射任務的長征二號F運載火箭;以及在未來空間站任務中主要用于發射貨運飛船的新一代運載火箭長征七號,都是我國中型火箭的代表。

  近地軌道運載能力低于2噸的,被稱為小型運載火箭。可別小看它們,在微小衛星市場日益繁榮的今天,“小火箭”也有大作為。以我國新一代小型運載火箭長征十一號為例,作為長征火箭家族中首型固體運載火箭,它的近地軌道運載能力約為700公斤,700公里太陽同步軌道運載能力約400公斤,同時具備在接到任務命令后24小時內完成技術準備并發射的能力,可以滿足在應急情況下快速、機動發射衛星的需求。

  此外,具備低、中、高軌道發射能力,近地軌道運載能力超過百噸,起飛推力達到3000噸級的,則屬于重型運載火箭,其代表包括美國曾用于執行阿波羅載人登月任務的土星五號火箭,由蘇聯研制、至今保持運載能力世界紀錄的能源號火箭等。

  固體、液體發動機不分優劣

  近年來面對不斷增長的空間資源開發需求和日益激烈的商業發射市場競爭,我國開發出長征五號等4種型號的新一代大型、中型、小型運載火箭。錢航說,新一代運載火箭以可靠、安全、經濟為主要設計原則,采用無毒環保、價格便宜、比沖(是對火箭推進劑利用效率的一種描述,指單位推進劑的量所產生的沖量)較高的液氫、液氧或液氧煤油發動機。那么這是不是意味著液體燃料發動機比固體燃料發動機更好、運力更大呢?

  錢航說,液體燃料發動機優點是燃料能量密度高,比沖大,容易實現流量控制,可以用于機動或變軌。不過液體燃料不易儲存,大多需要在火箭發射前加注。我國傳統液體燃料發動機火箭所用的偏二甲肼、四氧化二氮燃料,更是有劇毒、強腐蝕性,且易燃易爆,十分危險,對儲存和加注工作有著極為嚴苛的要求。近年我國陸續問世的新一代運載火箭,采用了液氫、液氧、煤油等綠色燃料,對環境基本不會造成影響,但存儲和加注工作則更加復雜。

  固體燃料發動機的基本原理是點燃藥柱,燃燒產生大量高溫氣體從噴管噴出,推動火箭前進。相比宋代就誕生的火藥玩具“竄天猴”,其結構和原理并沒有太大改變。錢航介紹,固體燃料發動機主要有3方面優點。首先,相比液體燃料發動機,其不需要燃料泵等復雜的機械結構,結構更為簡單且造價低廉;其次,由于藥柱是以固態形式存在,其特性比液體燃料更穩定,儲存起來也更安全;此外,由于結構簡單,固體燃料發動機可以做得很輕,也更易于小型化。不過固體燃料發動機也有其劣勢。例如燃燒時間相對較短,比沖較小,不能重復點火,也很難實現推力調節。這都對它的任務適應性造成了制約。

  火箭發動機形式不分優劣,也不能決定火箭的運載能力。雖然目前國內主要的固體燃料發動機運載火箭如長征十一號,以及由中國航天科工集團研制的快舟一號甲均為小型運載火箭,但在美國正在研制的SLS重型運載火箭身上,也裝著世界上推力最大的固體燃料火箭發動機。

  4項措施可有效提升火箭運力

  運載能力是火箭性能最直接、最重要的參數指標。錢航介紹說,火箭的運力主要由火箭總體設計水平、發動機性能與制造水平、箭體結構設計與制造水平等多種因素決定。

  他表示,想要提高火箭運載能力,主要有4方面措施。首先是在保持火箭構型不變的情況下,通過優化級間比(第i級火箭的質量除以第i+1級火箭的質量,是影響火箭理想速度的參數之一),增加推進劑的加注量。長征三號甲系列、歐洲的阿里安5系列,以及美國的獵鷹九號運載火箭,都是通過這項措施,使運載能力顯著提高。

  結構優化減重是運載器設計的永恒主題。在今年7月9日實施的亞太6D衛星發射任務中,長征三號乙運載火箭就是通過減重的方法,將運載能力提升了50公斤,以滿足發射要求。錢航介紹,在運載器設計和應用前期,主要是通過改進工藝、選用新材料、優化傳力路徑等方式提高結構效率。火箭對箭體結構系統的輕質化設計有著更高要求,一院火箭技術團隊經過大量仿真計算和試驗,提出了主捆綁及發動機集中力“雙擴散”結構、超大氣瓶變形自適應支撐結構、捆綁起吊多功能一體化結構等多項新型輕質設計方案,收效良好。

  發動機性能優劣,直接影響著火箭運載能力。在美國航天飛機、獵鷹九號火箭的運力提升舉措中,提高發動機推力和比沖是重要環節之一。我國在長征五號運載火箭上使用了首次研制的膨脹循環動力方式氫氧發動機,這是目前國際上比沖性能最高的火箭發動機,并且具有高空多次啟動能力。

  此外,總體優化設計也是提升火箭運力的有效途徑。錢航表示,從火箭總體構型考慮,可盡量選用推力大的發動機作為基礎級動力,為上面級選用高比沖發動機,并開展載荷姿控聯合設計降低結構載荷條件,均可有效提升火箭運載能力。(記者 付毅飛)

責任編輯:杜鵑    編輯:王瑋

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