“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

作者:朱磊来源:蝌蚪五线谱发布时间:2017-07-06

“胖五”的体检报告来了……

  运载火箭是十分复杂的系统工程,科研人员在其研制和发射阶段可谓“如临深渊,如履薄冰”,可纵然如此,仍难以完美解决所有的细小问题。自人类向太空迈进以来,各国火箭发射特别是重型运载火箭发射失误的案例屡见不鲜。

  7月2日,备受关注的“胖五”发射失利。对此,习惯了我国航天发射高成功率的网友们表现出了足够的理解和宽容,热心的小伙伴们还对失利原因做了分析,不少人都把锅甩给了“胖五”的“心脏”(即发动机)。

图1 - “胖五”发射升空(图片来源:Reuters)

 “胖五”发射升空(图片来源:Reuters)

  作为长征火箭家族里最威武的套马汉子,“胖五”的“心脏”真的有问题吗?当然,这只是目前的一种猜测,并无十足的证据。不过,由于火箭的“心脏”通常在航天发展中占有举足轻重的作用,在官方正式公布调查结果之前,我们还是不妨先来了解下自家的“胖五”及别人家“孩子”的身体状况。

 

  回望——我们的“心脏”技术啥水平?

  我们知道,飞机往往只在大气层内玩耍,而火箭的活动范围则跨越了大气层内外,因此,飞机只需带上燃料便可来一场说走就走的旅行,火箭则还要携带氧化剂。根据推进剂(包括燃料和氧化剂)的不同,常见的火箭发动机一般可分为固体火箭发动机和液体火箭发动机。和固体发动机相比,液体发动机结构非常复杂,发射前的准备工作也异常繁琐,但由于其具有工作时间长、比冲大、推力易于控制、可重复启动等优点,因而被世界各国运载火箭广泛采用,我国自然也不例外。

图2 - 液体火箭发动机燃烧过程示意图(图片来源:中国航天报)

液体火箭发动机燃烧过程示意图(图片来源:中国航天报)

  我国从1956年开始研制现代火箭,其中运载火箭肇自上世纪60年代研制的“长征一号”。当时,为了节省研究经费、缩短研制周期,以使“东方红一号”卫星尽快畅游太空,人们决定采用“东风四号”导弹的一、二级与控制系统作为蓝本,增加固体第三级,对“长一”进行研制。“长一”的第一级安装了4台YF-1液体发动机,以偏二甲肼作燃料、硝酸作氧化剂,每台地面推力为255千牛;第二级的YF-3液体发动机由YF-1改进而来,采用相同的推进剂,地面推力达290千牛。1970年4月24日,“长一”护送“东方红一号”卫星进入预定轨道,从此奠定了我国运载火箭的基础。世人往往只看到“长一”光鲜成功的一面,殊不知一穷二白的初学者总是要交学费的,在研制“东风四号”的六年半间,四次发射有一半都是失败的。

图3 - “长征一号”奠定了我国运载火箭的基础(图片来源:腾讯网)

“长征一号”奠定了我国运载火箭的基础(图片来源:腾讯网)

图4 - YF-1发动机(图片来源:www.b14643.de)

YF-1发动机(图片来源:www.b14643.de)

  此后,我国又基于“长一”成功研制了“长二”。它共有两级,均用偏二甲肼作燃料、四氧化二氮作氧化剂,一级安装了4台YF-20发动机,总推力为2940千牛,二级则采用推力分别为735千牛和46千牛的大、小发动机各一台。在此基础上,我国又成功研制出捆绑火箭“长二捆”、“长二F”和“长二F改”,后二位可称得上是明星级劳模,从“神舟一号”到“神舟十一号”飞船,全是它们不辞劳苦送上天的。后来研制的三级火箭“长三”、“长四”都与“长二”一脉相承,由于发动机技术较为成熟,它们的发射成功率一直在世界上名列前茅。

图5 - 长二F(网络图)

长二F(网络图)

图6 - YF-20发动机(图片来源:www.astronautix.com)

YF-20发动机(图片来源:www.astronautix.com)

  一个甲子,长征火箭家族实现了从串联到捆绑、从一箭单星到一箭多星、从发射卫星到发射载人飞船的巨大发展,虽说与美、俄等航天强国仍有较大差距,但作为后发国家,我们仍然用远低于美国的成本,成功建立了较完备的运载火箭系统。这期间,火箭发动机技术虽有改进,但一直沿用相似的技术,细心的小伙伴一定注意到,从“长一”到“长四”,使用的燃料均为偏二甲肼,而氧化剂有硝酸、四氧化二氮。这些物质被称为常规推进剂,具有能够自燃等优点,可以方便地长期保存在地面和天上。

  不过,既然说其“常规”,就一定有不令人满意之处。常规推进剂具有很强的腐蚀性,一旦火箭错过发射窗口,就不得不更换箭体。此外,常规推进剂还伴有毒性,1990年,在一次抢修“长二捆”的过程中,就曾发生过四氧化二氮泄漏导致十余名科研人员中毒伤亡的惨痛案例。当然,除了腐蚀性与毒性,常规推进剂最致命的弱点便是比冲小,运载能力低,难以帮助我们从近地迈向深空。

图7 - 由于常规推进剂具有毒性,工作人员在检查火箭加注设备时必须全副武装(图片来源:新华网)

 由于常规推进剂具有毒性,工作人员在检查火箭加注设备时必须全副武装(图片来源:新华网)

  时代在召唤新一代高性能火箭,于是我们的“胖五”带着它的“大心脏”登场了。

 

  知己——“胖五”的“心脏”是啥样?

  “长征五号”的绰号有很多,除了“胖五”,它还被称作“冰箭”。“胖”展现了它的体形,而“冰”则是指它的“心脏”了。

  “胖五”采用的是低温发动机,即一种使用低温推进剂的液体火箭发动机。所谓低温,指的是在大气压下,由于推进剂的沸点低于环境温度,推进剂必须在环境温度以下才可保持液体状态。液氧由于价格低、来源广,是世界上应用最广泛的液体火箭发动机氧化剂,“胖五”的芯级和助推器中用的都是它(温度达零下183℃)。不过在燃料方面,“胖五”的芯级用的是液氢(温度达零下252℃),助推器用的则是煤油。总体上看,低温推进剂不但无毒、无污染,而且比冲也得到了很大提高。

图8 - 燃烧剂和氧化剂比冲量表(图片来源:中国航天科技集团公司官网)

 燃烧剂和氧化剂比冲量表(图片来源:中国航天科技集团公司官网)

  从上图可以看出,氢氧的组合是性能最高的化学推进剂,并且由于其燃烧稳定性好,因此是液体火箭的最佳选择之一。不过,因为氢的密度很低,贮箱必须做得较大,“长五”也就成了“胖五”了。一般而言,氢氧发动机适合用在火箭的二级与上面级,而我们的“胖五”不仅芯二级采用了两台YF-75D氢氧发动机,芯一级也安装了两台YF-77氢氧发动机。YF-75D发动机由“长三”的YF-75发动机改进而来,地面推力约90千牛,YF-77则是我国第一台地面点火启动的大推力氢氧发动机,地面推力约500千牛,在发动机的设计、生产和试验技术领域都做了大量创新。

图9 - YF-77发动机(图片来源见水印)

YF-77发动机(图片来源见水印)

  可是,大块头的“胖五”起飞重量足足接近900吨,单纯靠芯级的发动机起飞未免有些强人所难。实际上,“胖五”起飞的主要动力并不来自于芯一级,而是来自于助推器。“胖五”的芯一级周围捆绑了四个助推器,每个助推器都装有两台YF-100液氧煤油发动机,每台发动机的地面推力达1200千牛,推力比长征火箭家族以前所用的发动机提高了60%以上,这无疑是个巨大的跨越。

图10 - YF-100发动机(图片来源:新浪网)

YF-100发动机(图片来源:新浪网)

  然而,性能上的大幅提高,往往表明发动机需要在更加恶劣的条件下工作。比如,在发动机刚启动后,不到一秒之内,涡轮泵便需从静止加速到数万转每秒,温度顷刻间从室温上升到几千度,这都对发动机的设计、材料、工艺等环节提出了严苛的要求。实际上,“胖五”的发动机在研发阶段就出现过多次整机试车失败的情况,与其他国家的同类型火箭相比,它去年首秀便获得成功,已经殊为不易。

 

  知彼——别人家的“孩子”怎么样?

  纵向来看,“胖五”的横空出世,对于我国航天事业发展无疑是个巨大的进步。如果横向看,它与传说中的别人家的“孩子”相比,又是什么水平呢?

  美、俄等国很早就开展了液体火箭发动机的研究。早在上世纪20年代,美国科学家戈达德(Robert Goddard)便制造出了世界第一台液体火箭发动机,他当时采用的是汽油和液氧作推进剂。二战后,美、苏两国相互竞争,研制出多种型号的常规推进剂火箭。自上世纪70年代后,两国便相继推出了高性能、大推力的液体火箭发动机,苏联以液氧煤油发动机为主,美国则是液氧液氢发动机。

图11 - 戈达德与第一枚液体火箭(图片来源:www.nasa.gov)

戈达德与第一枚液体火箭(图片来源:www.nasa.gov)

  我们不妨看看与“胖五”同属于重型火箭的“德尔塔四号”。和“胖五”在我国运载火箭中的地位一样,“德尔塔四号”重型火箭也是美国现役火箭中最强壮的,起飞重量达733吨。它还有个特殊的身份:世界上唯一的全氢氧发动机火箭,也就是说它的芯一级、芯二级及助推器全部采用氢氧推进剂。其芯一级仅安装一台RS-68A发动机,但推力却可以达到3140千牛,远超“胖五”所用的发动机。芯一级周围捆绑的两个助推器,也分别安装了一台RS-68A发动机,芯二级则装有一台推力为110千牛的RL10-B-2发动机。

图12 - 美国的“德尔塔四号”火箭(图片来源:wikipedia)

 美国的“德尔塔四号”火箭(图片来源:wikipedia)

图13 - 试车中的RS-68A发动机(图片来源:www.rocket.com)

试车中的RS-68A发动机(图片来源:www.rocket.com)

  不难看出,即使是我们最先进的“胖五”,在发动机技术水平上,也与美、俄等国存在不小差距。为了弥补单台发动机推力不足的问题,我们不得不在芯一级和助推器并联10台发动机,如此一来,任何一个小细节考虑不周,都可能带来失败。可必须指出,我们在技术积累薄弱、研制时间短、研制成本非常低的情况下,仍然采用数十种新材料、一百多种新工艺,解决了“胖五”发动机中的冷却、高速旋转机械动力学、不稳定燃烧等诸多难题,大幅提高了我国运载火箭的实力,成功走出了一条符合国情的航天发展之路。

  随着我国航天技术的升级,面临的技术难度也越来越大,偶有失利是十分正常的现象,我们在上世纪也是经历了多次失败,才有了享誉世界的长征系列火箭。“成功是差一点点的失败,失败是差一点点的成功”,我们有理由相信,吃苦耐劳的航天人必将会查出“胖五”失利的症结,解决每一个问题。我们的征途,依旧是星辰大海。

图14 - 我们的征途,依旧是星辰大海(图片来源:漫画《那年那兔那些事》)

我们的征途,依旧是星辰大海(图片来源:漫画《那年那兔那些事》)

 

参考文献:

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  [11] http://news.ifeng.com/a/20170702/51359312_0.shtml.

  [12] http://www.spacechina.com/n25/n148/n272/n4791/c131605/content.html.

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