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想让中国火箭更有力,要靠这些“神操作”

最近中国航天很忙,从5月5日到7月9日两个月时间,就实施了10次发射,先后由长征五号B、快舟一号甲、长征十一号等型号运载火箭,执行了新一代载人飞船试验船以及多颗卫星的发射任务。

众所周知,火箭是用于航天活动的运载工具。正如地面上有不同种类的汽车,火箭也分为不同型号,“力气”有大有小,根据各自的特点和运载能力,执行不同的任务。

那么,火箭按照运载能力如何分类,不同类型的火箭发动机有何特点,火箭的运载能力又该如何提升?中国航天科技集团一院(以下简称一院)型号设计师钱航以长征系列运载火箭为例,向科技日报记者进行了介绍。

不同类型火箭各有所长

今年5月5日,长征五号B运载火箭在我国文昌航天发射场升空,上演了首秀。未来,这型“大火箭”将在中国空间站建设中发挥重要作用。

把长征五号称为“大火箭”,可不光指个头。钱航介绍说,按照运载能力大小,运载火箭可以分为小型、中型、大型和重型(超重型)4类。不同类型的火箭各有所长。

目前这种分类方法尚无统一的量化标准,我国航天界一般将近地轨道运载能力在20吨至100吨的运载火箭,以及其衍生构型称为大型运载火箭。

由一院抓总研制的我国新一代大型运载火箭长征五号系列,目前发射过2种构型。长征五号B为一级半火箭,是我国现役运载火箭中唯一一款无需级间分离,可以直接发射入轨的火箭,可靠性大为提升。同时具备超过22吨的近地轨道运载能力。这些特点,让它成为承担我国空间站舱段发射任务的不二之选。长征五号基础型则为两级半构型火箭,虽然其近地轨道运载能力可以达到25吨以上,但它的任务却主要瞄向更深远的太空。

长征五号火箭地球同步转移轨道运载能力约为14吨,可以承担基于东方红五号平台研制的大型通信卫星发射任务。该型火箭还具备8吨以上的地月转移轨道运载能力,以及5吨左右的地火转移轨道运载能力。按计划,2020年我国将先后用长征五号火箭发射天问一号火星探测器以及嫦娥五号月球探测器。

中型运载火箭的近地轨道运载能力,通常在2吨至20吨。在长征火箭家族中,这一类别的火箭阵容庞大。曾经承担全部北斗卫星以及嫦娥系列探测器发射任务,被誉为“金牌火箭”的长三甲系列运载火箭;完成11艘神舟飞船和天宫一号、二号空间实验室发射任务的长征二号F运载火箭;以及在未来空间站任务中主要用于发射货运飞船的新一代运载火箭长征七号,都是我国中型火箭的代表。

近地轨道运载能力低于2吨的,被称为小型运载火箭。可别小看它们,在微小卫星市场日益繁荣的今天,“小火箭”也有大作为。以我国新一代小型运载火箭长征十一号为例,作为长征火箭家族中首型固体运载火箭,它的近地轨道运载能力约为700公斤,700公里太阳同步轨道运载能力约400公斤,同时具备在接到任务命令后24小时内完成技术准备并发射的能力,可以满足在应急情况下快速、机动发射卫星的需求。

此外,具备低、中、高轨道发射能力,近地轨道运载能力超过百吨,起飞推力达到3000吨级的,则属于重型运载火箭,其代表包括美国曾用于执行阿波罗载人登月任务的土星五号火箭,由苏联研制、至今保持运载能力世界纪录的能源号火箭等。

固体、液体发动机不分优劣

近年来面对不断增长的空间资源开发需求和日益激烈的商业发射市场竞争,我国开发出长征五号等4种型号的新一代大型、中型、小型运载火箭。钱航说,新一代运载火箭以可靠、安全、经济为主要设计原则,采用无毒环保、价格便宜、比冲(是对火箭推进剂利用效率的一种描述,指单位推进剂的量所产生的冲量)较高的液氢、液氧或液氧煤油发动机。那么这是不是意味着液体燃料发动机比固体燃料发动机更好、运力更大呢?

钱航说,液体燃料发动机优点是燃料能量密度高,比冲大,容易实现流量控制,可以用于机动或变轨。不过液体燃料不易储存,大多需要在火箭发射前加注。我国传统液体燃料发动机火箭所用的偏二甲肼、四氧化二氮燃料,更是有剧毒、强腐蚀性,且易燃易爆,十分危险,对储存和加注工作有着极为严苛的要求。近年我国陆续问世的新一代运载火箭,采用了液氢、液氧、煤油等绿色燃料,对环境基本不会造成影响,但存储和加注工作则更加复杂。

固体燃料发动机的基本原理是点燃药柱,燃烧产生大量高温气体从喷管喷出,推动火箭前进。相比宋代就诞生的火药玩具“窜天猴”,其结构和原理并没有太大改变。钱航介绍,固体燃料发动机主要有3方面优点。首先,相比液体燃料发动机,其不需要燃料泵等复杂的机械结构,结构更为简单且造价低廉;其次,由于药柱是以固态形式存在,其特性比液体燃料更稳定,储存起来也更安全;此外,由于结构简单,固体燃料发动机可以做得很轻,也更易于小型化。不过固体燃料发动机也有其劣势。例如燃烧时间相对较短,比冲较小,不能重复点火,也很难实现推力调节。这都对它的任务适应性造成了制约。

火箭发动机形式不分优劣,也不能决定火箭的运载能力。虽然目前国内主要的固体燃料发动机运载火箭如长征十一号,以及由中国航天科工集团研制的快舟一号甲均为小型运载火箭,但在美国正在研制的SLS重型运载火箭身上,也装着世界上推力最大的固体燃料火箭发动机。

4项措施可有效提升火箭运力

运载能力是火箭性能最直接、最重要的参数指标。钱航介绍说,火箭的运力主要由火箭总体设计水平、发动机性能与制造水平、箭体结构设计与制造水平等多种因素决定。

他表示,想要提高火箭运载能力,主要有4方面措施。首先是在保持火箭构型不变的情况下,通过优化级间比(第i级火箭的质量除以第i+1级火箭的质量,是影响火箭理想速度的参数之一),增加推进剂的加注量。长征三号甲系列、欧洲的阿里安5系列,以及美国的猎鹰九号运载火箭,都是通过这项措施,使运载能力显著提高。

结构优化减重是运载器设计的永恒主题。在今年7月9日实施的亚太6D卫星发射任务中,长征三号乙运载火箭就是通过减重的方法,将运载能力提升了50公斤,以满足发射要求。钱航介绍,在运载器设计和应用前期,主要是通过改进工艺、选用新材料、优化传力路径等方式提高结构效率。火箭对箭体结构系统的轻质化设计有着更高要求,一院火箭技术团队经过大量仿真计算和试验,提出了主捆绑及发动机集中力“双扩散”结构、超大气瓶变形自适应支撑结构、捆绑起吊多功能一体化结构等多项新型轻质设计方案,收效良好。

发动机性能优劣,直接影响着火箭运载能力。在美国航天飞机、猎鹰九号火箭的运力提升举措中,提高发动机推力和比冲是重要环节之一。我国在长征五号运载火箭上使用了首次研制的膨胀循环动力方式氢氧发动机,这是目前国际上比冲性能最高的火箭发动机,并且具有高空多次启动能力。

此外,总体优化设计也是提升火箭运力的有效途径。钱航表示,从火箭总体构型考虑,可尽量选用推力大的发动机作为基础级动力,为上面级选用高比冲发动机,并开展载荷姿控联合设计降低结构载荷条件,均可有效提升火箭运载能力。

责任编辑:马利亚


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