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长征五号运载火箭在国际上处于什么水平?

科技 sean 15676℃ 1评论

长征五号上的航天智慧与尴尬

7月2日晚8时08分,新华社发布消息:7月2日19时23分,我国在中国文昌航天发射场组织实施长征五号遥二火箭飞行任务,火箭飞行出现异常,发射任务失利。

对于一枚全新的运载火箭来说,在其头几次发射中出现失利,并不是一件太让人感到意外的事。美国的重型德尔塔-4、欧洲的阿里安-5、日本的H-2、中国的长-3系列,都是经历了至少一次失利,才逐步走向稳定的。中国的工业底子不及欧美,出问题没有必要对航天业过多苛刻的责备。

欧洲的阿里安-5在1996年6月4日的首次发射就以爆炸告终,第二次发射部分失败。到今年6月28日,阿里安-5共进行了94次发射,所有的失败都是在前14次发生的,包括在第10次的部分失败和第14次的失败。自从2002年12月的那次失败之后,阿里安-5均获得成功。所以,长征-5号失利不可怕,关键是找到问题的根源,逐步完善。另外,航天是高风险活动,正是因为如此,航天工程师不应成为高风险职业,航天工程师不应受到额外的处罚和压力。

1996年6月4日,欧洲阿里安-5首次发射,以爆炸告终。

1996年6月4日,欧洲阿里安-5首次发射,以爆炸告终。

阿里安-5的4次失败都是在前14次发射中发生的。

阿里安-5的4次失败都是在前14次发射中发生的。

我们再回到长征-5号,仔细分析下这次发射的长征-5号的构型,就能感觉它太复杂了,也太有特色了。

当下世界GTO运载能力最强的火箭

这次发射的长征-5号运载火箭是长征-5号系列构型中起飞重量最大,也是载荷最大的一种。

按照官方的说法,长征-5起飞质量867吨,地球同步转移轨道(GTO)运载能力14吨,近地轨道(LEO)运载能力25吨级。长征-5的研制成功,是中国进入空间能力的一次巨大跃升。官方的说法是,上一代运载火箭的LEO运载能力8.5吨(其实当年的长征-2E运载火箭达到了9.2吨,只不过因为不太可靠而早就退出现役了)、太阳同步轨道(SSO)运载能力6.1吨、GTO轨道运载能力5.5吨。可以说,长征-5的投入使用,让中国进入空间的能力实现了成倍提高。

现役国际主流大型运载火箭

和国产上一代火箭相比,长征-5号的运力提高幅度很大,那么他和现役国际主流大型运载火箭相比又怎么样呢?

我们先来看看运载能力。目前LEO运载能力达到20吨级、GOT运载能力达到10吨级的大推力运载火箭已经成为航天器发射的主力军,这一级别的运载火箭包括美国的“德尔塔-4” 、“宇宙神-5”(又译阿特拉斯-5)、“猎鹰-9”运载火箭,欧洲的“阿里安-5”运载火箭,俄罗斯的“质子”、“安加拉-A5”以及日本的H-2B运载火箭等。

这其中,运载能力最强的是美国波音公司的重型构型的“德尔塔-4”运载火箭,其LEO最大运载能力根据轨道高度不同可以达到23.6到28.4吨之间,是目前近地轨道运载能力最强的,不同来源的数据显示其GTO运载能力为13.8吨到14.2吨,一般认为其为14吨。

洛克希德·马丁公司研制的“宇宙神5”(使用了俄罗斯的RD-180发动机)551构型的LEO运载能力达到18.9吨,GTO运载能力为8.9吨。

俄罗斯的“质子M”运载火箭的LEO运载能力为23吨,GTO为6.9吨;俄罗斯2014年首次试射的“安加拉-A5”运载火箭的LEO运载能力为24.5吨,GTO运载能力为7.5吨。

欧洲航天局的“阿里安-5ES”的LEO运载能力为20吨,“阿里安5ECA”的GTO运载能力为10.7吨;日本的H2B的LEO运载能力为19吨,GTO为8吨。俄罗斯的“质子M”、“安加拉”的LEO运力较大,而GTO运力却比较小,一个重要原因在于其发射场维度较高,向地球同步轨道上发射卫星有点“吃亏”。

这样看来,长征-5号在现役大型运载火箭中运力可谓数一数二了,特别是其在文昌发射时的GTO运载能力,几乎是与重型德尔塔-4在同类火箭中并列第一了。

这个判断一点不假,但就此说中国的火箭技术已经数一数二了,可能就有些乐观了。

首先,从时间来看,上述大型火箭都已经首飞若干年,并投入使用多年。其中重型“德尔塔-4”的首次发射在2004年(但没有成功),较晚的是日的H-2B火箭,2009年发射,最晚的是俄罗斯的“安加拉-A5”,2014年发射。

另外,从运输潜能上看,上述火箭中的不少型号仍然有大幅度提升的空间。之所以大多数火箭运力均低于长征-5号,还主要出于成本和需求的原因。长征-5的一个重要使命是进行空间站发射。而对于其他国家来说,主要是安全、经济地发射卫星,而目前其运载力基本够用。

像“阿里安-5”、H-2B,他们的芯一级火箭发动机均为大推力、大比冲的氢氧发动机,二级发动机推力也超过长征-5号,如果为其配备更大的助推器,研制一种运力超过长征-5的大型运载火箭并非不可,只是需求不那么强烈。重型“德尔塔-4”的几次发射都是用于发射美国空军的重型侦察卫星。这次发射的长征-5号运载火箭是用了众多的小火箭发动机,通过系统优化,实现了运能的最大化,其提升空间已经不大。

德尔塔-4系列运载火箭的芯级推质比大于一,通过采用不同的助推器实现不同的运载能力。

德尔塔-4系列运载火箭的芯级推质比大于一,通过采用不同的助推器实现不同的运载能力。

从运载能力上看,美国上世纪60年代研发成功的用于登月的“土星5号”运载火箭、以及苏联用于发射航天飞机的“能源”号运载火箭LEO运载能力都超过了100吨。更是远远超过了长征-5号,只不过他们均已退役。

同类火箭中推力最小的芯级发动机

最初构想的长征-5号是通过直径为5米的芯级分别与不同数量的3.35米直径(安装两台发动机)和2.25米直径助推器(安装一台发动机)的组合,再加上芯级为一级半和二级半的不同状态,组成一个包括6种构型的庞大家族。

但是后来,所有配备2.25米直径助推器构型均被搁置,因为这些构型的大部分功能能够由更廉价的长征-7号完成。最终确定下来的包括两种构型,即本次和第一次发射的基本型长征-5号和长征-5B。他们不同在于前者是一种两级半的构型,而后者是一种一级半的构型,后者主要用于发射近地轨道载荷,芯级更短些。

当初长征-5设计了多个不同构型,如今只保留了两个型号。

当初长征-5设计了多个不同构型,如今只保留了两个型号。

此次发射的长征-5号是一种二级半的运载火箭。一级芯级直径5米,采用两台并联的采用燃气发生器循环的YF-77液氢液氧火箭发动机(以下简称氢氧机),单台地面推力约50吨,真空推力约70吨。火箭发动机在真空中的推力和比冲(燃烧单位质量的推进剂产生的冲量)都较地面上更大,主要是燃烧室内外的压力差不同所决定的,燃烧室内的压力不变,真空中外部的压力几乎为零,那么压力差就更大,所以推力和比冲就更大。这里需要说明的是,YF-77是迄今为止国内研制的推力最大的氢氧机。但是和世界同级别火箭的芯级氢氧机相比,推力是最小的!即便是日本H2B使用的LE-7A,真空推力也有112吨!所以说,长征五号用同级别火箭中推力最小的发动机,扛起了同级别最强的GTO运载能力。

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  1. 差距不小啊
    匿名2017-08-02 01:01 回复