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3月10日0时28分,巨大的轰鸣声响彻大凉山,长征3号乙运载火箭托举着中星6C卫星从西昌卫星发射中心腾空而起,随后卫星成功进入预订轨迹。这一刻,我国长征系列运载火箭的发射次数正式改写为“300”。长征系列运载火箭成功完结300次飞翔,是我国航天展开进程中的重要前史节点。这是我国航天事业由量变向突变展开的新起点,也是我国从航天大国向航天强国跨进的重要里程碑。
但是,在取得这些令人瞩目效果的一起,咱们仍要看到落后与缺乏。自咱们有回忆以来,林林总总的发起机成为了许多顶级范畴的“心痛”,火箭发起机也不破例。不得不供认,在火箭发起机功能的比照中,尤其是代表高技能的液态发起机,我国火箭发起机仍落后美俄不少,乃至日本、印度在某些单项技能都会抢先我国。
咱们不能因而苛责航天人的尽力,由于他们现已在有限的条件下做到了极致,但是距离的补偿与赶超,仍需求一切相关职业共同尽力。
美国履行阿波罗登月方案时运用的土星-5号运载火箭所选用的F1发起机是名列前茅的,半个世纪前,该发起机的地上推力就到达了惊人的690吨。
众所周知,载人航天对火箭推力要求很高。而F1发起机作为有史以来人类制作的推力最大的单焚烧室液体火箭发起机,着实抢先许多。
前苏联动力号火箭运用的RD-170发起机,作为人类前史上最大推力火箭发起机,单台地上推力到达惊人的800吨(也有人以为它是四台发起机并联,但同享燃气发生器和涡轮泵),乃至超越F1发起机,一台发起机就简直相当于我国长征系列选用的火箭发起机如YF-20B的十台以上。
苏联80年代中期砸钱展开航空,前后花费超越50亿美元,完结了慵懒合金的研制,以及和废气补燃技能,这台划年代的超级发起机衍生类型RD-180(相当于把RD170一分为二)一起也被美国人重用,17年间用这个发射了71次火箭,仅呈现一次毛病。
跟着科技的不断进步,上述惊世骇俗的液氧火油发起机现已逐步退出了干流,而取而代之的则是氢氧火箭发起机。现在最强类型是把美国德尔塔4型重型火箭送去火星的RS-68火箭发起机,地上推力到达了290吨。
除此之外,美国186吨推力的SSME发起机,欧洲空间局的阿里亚纳-5火箭,配备地上推力130吨的火神氢氧发起机,和日本H-2A火箭,运用地上推力达117吨的LE-7氢氧发起机。
我国现在运用的推力最大的火箭发起机是YF-100与YF-77。 YF-100发起机,是新一代液氧/火油发起机,地上推力到达120吨。长征5号芯级周围绑缚有4个3.35米直径助推模块,每个模块上装置两台YF-100发起机。也便是说,长征5号在起飞阶段时,8台YF-100发起机,共供给960吨的推力,这个推力占长征5号总起飞推力的90%以上。另10%的起飞推力,由芯一级的两台YF-77供给。YF-77是液氧/液氢发起机,其单台地上推力仅50吨!可以说,面临如此多体量巨大的长辈,我国在火箭发起机范畴还仅仅小弟。有网友戏弄:“其实万户当年飞天便是由于国产发起机不可才失利的。”
运载火箭的功能,首要由其所选用的发起机决议。咱们有必要看到,几十年前美俄就现已研制并成功运用了推力远大于咱们的火箭发起机,在液氧/液氢发起机范畴,早在1970年代末,美国就为航天飞机研制了单台地上推力219吨的主发起机,每架航天飞机的轨迹器上,装置有3台这种发起机。在航天飞机退役后,美国人又研宣告单台地上推力为290吨、线发起机……
1990年到2010年之间,我国将有限的航天资金,首要会集用在载人航天(神舟和天宫系列)与探月工程项目上,详细到运载火箭分体系的研制上,我国首要是会集精力进步老旧类型长征2/3号液体火箭的推力与安全性,或许说,为了将人送入太空,我国所做的首要作业,便是对老旧类型的长征2/3系列火箭进行改善、再改善……且这些老旧类型火箭的起飞发起机,运用的是偏二甲肼和四氧化二氮这类有毒推动剂。
在这20年里,我国没有推出过大推力的新式火箭发起机。而在这20年里,美俄两国的运载火箭技能继续坚持优势,日本和欧盟的运载火箭技能进步也很大,乃至印度,也在运载火箭的某些单项技能方面,超越了我国。
但有一点有必要着重的是,我国在发起机技能并不先进的情况下,却开宣告运载才能不亚于美俄欧日同等级大推力火箭的长征5号火箭,这是一件值得整体我国人快乐的事。这表明,在运载火箭的顶层规划及体系集成方面,我国已到达国际一流水平。假如我国能搞出技能更先进、推力更大的发起机,我国的运载火箭规划师就有才能、有实力开宣告抢先美俄欧日的重型运载火箭。
值得幸亏的是,我国已意识到自己在大推力火箭发起机研制方面的落后,正着手研制单台推力达500吨的液氧火油机及单台推力为200吨的氢氧机,这两型发起机,将是我国下一代重型火箭长征9号的主力发起机。
其实咱们不难发现,暗斗完毕后,耗资巨大而含义有限的航天逐步走向经济型航天,美国尽管上世纪70年代就完结了登月,尔后乃至一度多年依托苏联的运载火箭将自己的宇航员送入国际空间站。
当然,美国航天依靠俄制火箭,首要并非技能原因。之前的火箭根本归于一次性设备,本钱操控是个很大的问题。暗斗完毕后,美国航天部分的预算大幅减缩,急需一款功能安稳且价格廉价的火箭发起机。从价格上来看, RD-180发起机大致相当于1000万美元一台,而美国航空喷气公司提出的LOX AR-1型火箭发起机方案,单台LOX AR-1型火箭发起机的报价便是2500万美元,还没有分摊美国10亿美元的研制费用,本钱超越进口俄罗斯的两倍还要多。因而,RD-180发起机的低价格成为美国火箭发起机无法比拟的优势。
我国并没有着急研制推力动辄上百吨的火箭发起机,并非技能难以逾越,而是在航天其他技能相对更为落后的情况下,让资源可以最大极限发挥功效的有用博弈。实际上,国际上其他国家,也在走这样的路途。
例如印度的PSLV火箭,50吨级推力,近地轨迹3.25吨。不要说比长征5号的LEO(近地轨迹)25吨运载才能,便是比长2F的LEO9吨,也是小巫见大巫啊。可便是这样一枚连网友们都不拿正眼看的极地卫星火箭,在2013年11月5日,将印度首个月火星勘探器发射升空,亚洲榜首。这样低的本钱,这样低的技能,这样高的效益。同在亚洲超越印度几个身位的日本、我国,其实很值得反思。
美国民营航天公司SpaceX的猎鹰9运载火箭,近地轨迹LEO22.8吨;地球同步转化轨迹GTO8.3吨。一级9台50吨级的火油机Merlin发起机并联,开式循环。规划极致精约,与分级循环高压补燃什么的高技能彻底绝缘。长径比到达让人惊奇的19,干质比超越25,彻底打破职业经验值。公司CEO马斯克称造价只要1600万美元,发射价格5400-6200万美元,比俄罗斯质子号的7000万-1亿美元要廉价许多。彻底一副经济实用型的姿势,业界点评是“将改动商业发射规矩”。
当然,我国也在搞低本钱发射,首要是小卫星范畴。比方长征6号,根本型700千米高度国内测控太阳同步轨迹SSO运载才能将到达0.7吨(全球测控1吨)。展开型长6A的SSO轨迹的运载才能进步到4吨左右,通吃中小LEO轨迹和SSO轨迹发射商场。一个小型火油机火箭的改型,就会让巨大上的中型机长征7号很不舒畅。为什么?本钱低啊。
不过,螳螂捕蝉黄雀在后,长6盯着长7的地盘,长11还盯着长6的饭碗呢。长7首发5天后的2015年9月25日,我国固体小型火箭长征11号一箭四星荣耀首发,700KM轨迹达350kg。350公斤,别嫌小啊, 未来小卫星、微卫星的商场大着呢。况且长11还可以加以改善,规划一个增推型?
再加上长征11的测验-发射24小时急速快递,本钱也超低:长11不要火箭发射场,不要勤务塔、不要脐带塔、不要导流槽,不要发射台,给一片平地就能发射。
在航天技能早已脱节国家荣誉的绑缚,承受商场化考量的年代,需求、技能、本钱是需求同等对待的要素。仅仅是技能水平高,参数惊人的类型并不一定就能取得商场成功。
说起大推力的重型运载火箭,人们很简略想起登月的土星5火箭和苏联的动力火箭,不过这些LEO运载才能百吨级的巨型运载火箭使命单一,早已退役多年。当时国际上干流的大型运载火箭的LEO运载才能为20吨左右、GTO运载才能在8~12吨级。
纵观国际各国大型、重型运载火箭的展开进程,液体芯级绑缚固体助推(以高比冲的氢氧发起机作为芯级,大型固体助推发起机作为助推动力)已成为国外大型运载火箭展开的一条首要技能途径。这种动力组合可以充分发挥固体大推力、液体长时间作业的技能长处,构成性价比较高的运载火箭起飞级动力。为了进步牢靠性、下降发起机组合数量,发起机推力一般都要求在500吨级以上。
20世纪90年代后,进步运用寿数、下降运转本钱成为航天运载器液体火箭发起机的根本趋势,多种新式液体主发起机投入运用。美国、俄罗斯、欧洲和日本研制的新式运载火箭都呈现大直径、大运载才能、少级数、低本钱、高牢靠、无污染和易操作的展开趋势。
现在国际上的液体和固体大推力火箭发起机以俄罗斯、美国最为老练,现在许多在研制中的大推力火箭发起机技能乃至是运用的上世纪的大推力火箭发起机的技能,首要研制意图都侧重于节约本钱方面,而新的颠覆性的火箭发起机技能还未呈现实用性事例,所以可以以为现在国际上的大推力火箭发起机是处于工业生命周期中的老练期,现在需求新的打破性的技能革新来敞开新的一轮生命周期。
俄罗斯现在在开发新式火箭安加拉重型运载火箭,以求替换现在运用有毒燃料的火箭,未来,液氧或许火油燃料的发起时机彻底替代现在的剧毒燃料。与惯例发起机比较,液氧火油发起机具有许多长处:一是推力大;二是没有污染,比较于偏二甲肼和四氧化二氮,液氧和火油都是环保燃料,并且易于存贮和运送;三是经济,比惯例发起机推动剂廉价60%;四是牢靠性高;五是可重复运用。
各航天大国多年来一向考虑在未来可重复运用技能中引进低本钱且更易保护的甲烷发起机。2014年9月,ULA选定Blue Origin公司的BE-4发起机作为未来主力运载火箭——“火神”火箭的主发起机。BE-4发起机将用甲烷作为推动剂,这是美国制作的火箭发起机中初次选用这种推动剂。2016年9月,俄罗斯也宣告从头展开80吨可重复运用甲烷发起机的研制。
除燃料之外,关于火箭发起机机体各国也在开发可收回乃至可重复运用的火箭发起机,火箭在完结其运载使命后,发起机和其他电气部件会主动回来地上,而不是遗留在太空中成为太空废物。
完结重复运用,大幅度下降本钱,是航天运载技能展开的重要方向,各国展开了多个类型重复运用发起机的研制。美国航天飞机SSME发起机是人类最早完结重复运用的火箭发起机,选用液氧液氢推动剂、补燃循环,此外美国还展开了RS-2200液氧液氢气动塞式喷管发起机、RS-2100液氧液氢全流量补燃循环发起机研制,进行了RS-84、RS-76和TR-107液氧火油补燃循环发起机、RS-83和COBRA液氧液氢补燃循环发起机研讨。
现在,美国SpaceX公司正在验证Merlin1D液氧火油发起机的重复运用才能,并进行Raptor液氧甲烷发起机研制;美国蓝源公司正在研制BE-4液氧甲烷富氧补燃循环发起机,方案2019年用于火神运载火箭,经过直升机空中收回,完结发起机的重复运用。这么做将可大幅压低ULA发射本钱,将每次发射的本钱从逾2亿美元降至均匀1亿美元。
俄罗斯(前苏联)在重复运用火箭发起机范畴也进行了很多作业,上世纪六十年代研制的NK-33液氧火油补燃循环发起机具有较长的作业寿数,1996年被美国航空喷气公司购买,曾方案用于K-1重复运用火箭。上世纪八十年代,苏联研制成功RD-170液氧火油发起机和RD-0120液氧液氢发起机,按重复运用规划。苏联动力机械联合体以RD-170发起机为根底,展开了RD-701可重复运用三组元发起机研讨。2000年后,俄罗斯赫鲁尼切夫国家科研出产中心以RD-191液氧火油补燃循环发起机为动力,提出贝加尔号可重复运用火箭助推级方案。
2004年开端,欧洲展开了VEDA液氢液氧补燃循环发起机研讨,用于新一代两级彻底重复运用运载器。一起,提出VOLGA等重复运用液氧甲烷发起机方案,并展开了多项要害技能研讨。
2011年,我国运载火箭技能研讨院研制中心依据老练的飞船回来方法,展开选用“降落伞 + 气囊”的火箭子级收回方法研讨。2015年完结的热气球投进实验仅仅一个缩比实验,但已验证了运用大型群伞的技能才能。关于笔直回来的方案,研制中心也已完结了体系的方案证明和相应的仿真研讨。
依据技能展开情况剖析,可重复运用液体火箭发起机的技能展开趋势是:运用次数15次至100次,推动剂首要为液氧火油或液氧甲烷,循环方法首要为补燃循环,发起机推力需求依据详细使命选用多台中小推力发起机组合或1-2台大推力发起机。比较一次性运用运载火箭,重复运用运载器对动力体系提出更高的要求,需求完结数十次至上百次的重复运用、具有毛病诊断、快速检测与保护等功能;关于笔直着陆的方案,发起机还需求满意二次或屡次起动、大规模推力调理等要求。这些要求带来了发起机规划情况的改变和新的要害技能,在较大程度上影响着重复运用发起机乃至运载器技能方案的优化挑选乃至技能可行性。
在“十一五”期间我国就展开了液氧火油发起机可重复运用技能的探究和研讨,打破单台发起机不下台接连热试车、大规模推力调理等要害技能。进入“十三五”以来,我国也加速可重复运用运载器的研讨力度,拟定了展开规划,并提出重复运用动力的研讨方案:为满意火箭笔直收回要求,继续展开液氧火油发起机的改善研讨,进一步展开进步推力调理规模和添加发动次数等作业,先行完结火箭一级的收回与可重复运用。
后续针对彻底可重复运用运载火箭、水平起降六合往复运载器的运用需求,咱们将展开可重复运用液氧甲烷发起机、组合循环发起机的研讨作业,别离完结中期一、二级火箭可重复运用、远期水平起降重复运用运载器执役的规划方针,推动重复运用航天运送范畴的工业化运转。估计到2030年悉数完结可重复运用火箭动力的工程研制。
刘志让:在空间飞翔器动力方面,我院研制并构成了空间化学推动产品系列:以490N发起机为代表的高功能卫星远地点发起机,以7500N变推力发起机为代表的大规模推力调理发起机,以2500N发起机为代表的神舟飞船变轨发起机,以及各种空间姿势操控发起机。同步展开了空间电推动技能的研讨和攻关,霍尔电推动体系具有工程使用条件。在后续载人登月、火星勘探等使命研讨中,六院将研制新的空间发起机,展开环境习惯性研讨,满意月球、火星外表软着陆及起飞使命需求;展开低温推动剂在轨储存技能研讨,力求完结高功能液氧液氢发起机空间长时间驻留和牢靠作业。一起,展开大功率空间电推动体系、空间核热动力等新式动力的研讨,以习惯火星勘探等深空勘探使命需求。
近期,我国新研200吨推力固体火箭发起机地上热试车取得圆满成功。这一效果可使用于未来长征11号固体运载火箭的改善型。
这是瞄准商业航天发射商场需求而研制的现在国内装药量最多、推力最大的整体式固体发起机。其选用高功能纤维环绕复合资料壳体,直径为2.65米,装药量达71吨。该发起机的壳体选用先进工艺,由非金属资料经过环绕方法成型。比较以往类型所用的金属壳体,其强度更大、质量更轻,能大大进步发起机比冲。
固体火箭发起机与液体火箭发起机比较较,具有结构简略,推动剂密度大,推动剂可以储存在焚烧到中常备待用和操作便利牢靠等长处。缺陷是“比冲”小(也叫比推力,是发起机推力与每秒耗费推动剂分量的比值,单位为秒)。固体火箭发起机比冲在250~300秒,作业时间短,加速度大导致推力不易操控,重复起动困难,然后不利于载人飞翔。
“3月中下旬,咱们将进行500吨级液氧火油发起机的燃气发生器—涡轮泵联动实验。”全国人大代表、我国航天科技集团第六研讨院院长刘志让表明,这是该发起机技能攻关的要害一环,假如成功,将标志着我国500吨级液氧火油发起机到达整机安装条件。
涡轮泵是液体火箭发起机的“心脏”,其与燃气发生器展开联试,是仿照火箭发射时燃气驱动涡轮泵的工况,将贮箱内的氧化剂和燃料推动焚烧室。
涡轮泵虽小,但功率巨大。火箭发射几分钟内要焚烧的几百吨燃料,全赖涡轮泵的高速运送。以现在长征5号火箭所用我国推力最大的120吨级发起机为例,一台涡轮泵能将地上的水“抽”到青藏高原。与之比较,将用于长征9号重型火箭的500吨级发起机,其涡轮泵具有几倍的功率,将完结几倍燃料的运送作业。
联试情况将关系到该发起机能否如期在本年6月左右完结整机安装。刘志让介绍,涡轮泵联试之后进行的整机安装,标志着首要组件、结构、接口的和谐匹配现已根本确认。
“重型火箭发起机的方案可以确认下来,根本的结构可以和谐下来,是一个严重的打破。”刘志让说,长征9号运载火箭的先期要害技能攻关、方案深化证明阶段的作业,包含“重型运载火箭整体技能”“大推力液氧火油发起机技能”等12项严重要害技能攻关行将收尾。据悉,长征9号箭体直径达9.5米,全箭总长近百米,运载才能是现在我国火箭最大运载才能的5倍以上。该火箭方案于2030年首飞,未来将履行我国载人登月、深空勘探等严重工程项意图发射使命。
从上面的数据比照就能看出,我国在研的500吨级火箭发起机首要是为重型或称为超重型运载火箭所预备,也便是为未来的长征9号所预备。从我国运载火箭技能研讨院运载火箭系列总规划师龙乐豪院士泄漏的音讯看,长征9号将具有近地轨迹140吨的运载才能,与从前的巨无霸土星五号比较也不遑多让。咱们有理由信任:假以时日,我国的火箭发起机也会像咱们引以为傲的载人航天技能相同,追赶上发达国家的脚步,成为人类探究太空的排头兵。