“胖五”又要上天!威武雄壮的它为啥是捆绑的?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-06-28

随着人类向深空迈进,捆绑技术得到广泛应用,于是,火箭中的胖子变多了……

  本月初,全球航天探索大会(GLEX 2017)在北京召开,大会透露了一个振奋人心的消息:第二发“长征五号”运载火箭将于72搭载“实践十八号”卫星上天,第三发则将于1130护送“嫦娥五号”前往月球!

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“胖五”出差去(网络图)

  自去年小试牛刀以来,“胖五”一直备受瞩目,如今终于又有大动作,很多网友都相当兴奋。虽然“胖五”在长征系列火箭中排行第17,但却是家族中的套马汉子,运载能力最威武雄壮。“胖五”能如此强悍,除得益于粗壮的体格(可容纳更多推进剂)外,与它采用的捆绑技术也有很大关系。

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“胖五”:我不是胖,是strong(网络图)

  虽说运载火箭脱胎于弹道导弹,不过和重视射击精度、快速反应能力的导弹不同,运载火箭最关键的技能是运载能力和控制精度。然而,由于地球重力、空气阻力及火箭自身的结构水平、发动机比冲限制,单级火箭很难达到第一宇宙速度,无法将卫星、飞船这些重量级乘客送入预定轨道。

  怎么办?能力不够,数量来凑。

  科学家们将几枚单级火箭像糖葫芦一样连成一串儿,让它们通过接力将有效载荷送上天。简单来说就是,最下面的第一级火箭先工作,完成任务后就被扔掉,随即第二级开始工作,然后再被扔掉,以此类推,直至把“乘客”送到目的地。量变引起质变,这种靠数量叠加来提高运载能力的方式效果不错,2级火箭的运送质量比是单级火箭的3.6倍,3级火箭则达到了单级火箭的8倍。

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串联结构的“长征三号甲”火箭(图片来源:新华社)

  不过,级数多了,火箭就会变得很长,不但贮存、运输、发射成了问题,而且高空点火的可靠性、飞行中的稳定性也受到影响。因此,糖葫芦式(串联式)的火箭很少会超过4级。想要从近地走向深空,“糖葫芦”的力量还是有些单薄。

  既然纵向受到了限制,那就往横向发展吧。于是,你会发现,随着人类向深空迈进,火箭中的胖子多了。

  人们把串联的多级火箭作为芯级,在其周围捆绑了一圈小火箭(通常称为助推器)。这些助推器与芯级的第一级是并联关系,在发射时可以是助推器先工作,然后芯级第一级再工作,也可以是二者同时工作。由于助推器不增加火箭的整体长度,并且工作一段时间就被抛弃,因而只被看作半级火箭,这就是为何我们会看到,“胖五”几种构型的级数并不是整数,而是1.5级、2.5级和3.5级。

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威武雄壮的“胖五”(图片来源:www.spaceflightinsider.com

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“胖五”的结构(图片来源:深空网)

  胖子的优势十分明显。捆绑了助推器后,火箭的运载能力可以比之前提高2~4倍。而且,通过不同的芯级与助推器组合,还可以获得多种运载能力的火箭,我们的“胖五”就有6种构型。此外,由于芯级大多采用成熟的多级火箭,因而在研制时,大部分的结构参数都是现成的,这无疑大大缩短了研制周期和成本,我国曾经仅用18个月就奇迹般地完成了第一款捆绑火箭“长二捆”的设计、制造与发射。

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“胖五”的6种构型(图片来源:mil.eastday.com

  正因为具备这些优点,我国自“长二捆”之后,包括“长三乙”、“长三丙”、“长七”及即将研制的“长九”在内,多数运载火箭家族的兄弟们都和“胖五”一样采用了捆绑技术。

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长征系列运载火箭家族(图片来源:www.calt.com

  这项技术在世界主流大型运载火箭上也得到了广泛应用。比如,美国的德尔塔系列运载火箭,从D型开始,通过在芯级捆绑3台、6台、9台助推器,形成了不同的火箭系列。而欧空局的阿丽亚娜系列运载火箭,从3型到5型也在芯级周围捆绑了2台或4台助推器。

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美国的“德尔塔3号”火箭拥有9个助推器(图片来源:www.spacelaunchreport.comthorh13.html

  “胖五”就要再次上天了,让我们预祝这位捆绑了小火箭的套马汉子,圆满完成任务!

  参考文献:

  [1] http://www.81.cn/jmywyl/2017-06/12/content_7634961.htm.

  [2] http://www.spacechina.com/n25../n148/n272/n4791/c169793/content.html.

  [3] 赵瑞兴. 航天发射总体技术[M]. 北京:北京理工大学出版社,2015.

  [4] 赵金平. 大型捆绑式航天结构的动力分析研究[D]. 北京:清华大学,1991.

 

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