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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 19309℃ 1评论

H-2B的LE-7氢氧机采用分级燃烧循环,推力、比冲、循环方式均超过YF-77。

H-2B的LE-7氢氧机采用分级燃烧循环,推力、比冲、循环方式均超过YF-77。

由于并联两台发动机,我们能够很明显地看到芯级有两个喷管,但需要注明的是,不是说火箭有几个喷管就装了几台发动机。因为有的发动机是多燃烧室发动机,例如RD-180是双燃烧室发动机,一台发动机有两个燃烧室,两个喷管。而长征-5的YF-77则是典型的单燃烧室发动机,所以确实是一个喷管对应了一台发动机。

长征-5号芯级周围捆绑4个3.35米的助推器,每个助推器安装两台地面推力120吨的YF-100高压补燃循环的液氧煤油发动机(以下简称煤油机)。该发动机是中国在吸收了俄罗斯RD-120高压补燃煤油机相关技术后,历经多年研制成功的。此前在长征-6号和长征-7号上经历了多次考验。

第二级发动机则是并联两台推力各为9吨的膨胀循环YF-75D氢氧机。他是在之前的YF-75燃气发生器循环氢氧机的基础上改进研制的,比冲更高,对于较小推力的二级发动机来说,循环方式更科学。

YF-75D发动机采用闭式膨胀循环方式,单台真空推力9吨,在长征五号上两台并联使用。

YF-75D发动机采用闭式膨胀循环方式,单台真空推力9吨,在长征五号上两台并联使用。

长征-5的剖视图

长征-5的剖视图

由于发动机推力小,其一级总共有10台发动机(2台YF-77和8台YF-100),芯级两台发动机并联的地面推力也只有约100吨,远远低于任何一台助推器的推力(约240吨),在起飞推力中贡献最小。可以说,长征-5号是靠着捆绑的助推器推上天的。

其芯级的推质比小于1,芯级自己飞不起来,而且差的比较多。此前的中国的长征二号、长征三号系列,助推器也只是起到锦上添花的作用,不用助推器光靠芯级也是能上天的,只不过载荷小点。很多经典火箭的芯级推质比都是大于一的,比如美国的阿特拉斯(宇宙神)、德尔塔,它们通过捆绑不同的助推器,实现非常灵活的构型,将但范围载荷送入不同轨道。日本的H-2B运载火箭芯级推质比也不到1,但情况好些。其总重为总重量531吨(除有效载荷),其固体助推器单台重量76.6吨(真空推力1750千牛),也就是说芯级重量大约230吨,而其芯级的两台LE-7发动机的真空总推力大约224吨(当然海平面推力会低一些)。

这样,长征-5的一级总共安装了10台发动机,这从一定程度上降低了整体的可靠性。传统的设计观点认为,并联发动机越多,可靠性越差。为了简化起见,假设两台可靠性为0.9的发动机,将其简单并联在一起总体可靠性就降低为0.81。所以传统的火箭设计思想比较忌讳并联太多的发动机。苏联当年的N-1登月火箭几次发射全部失败,并联的发动机太多也是一个重要因素,这种火箭的一级并联了30台NK-33火箭发动机。

当然,这一定律在美国SpaceX公司的“猎鹰9”号运载火箭诞生后被颠覆了。该火箭的一级采用了9台“默林1D”发动机,但是火箭的整体可靠性却非常高。按照该公司的宣传,火箭起飞后如果其中一台发动机出现问题、90秒钟后两台发动机故障都不影响发射,因为其他发动机可以多输出功率,来弥补这一两台发动机的动力损失,所以整体可靠性反而有大幅度的升高。“猎鹰9”之所以具备这项“神技”,主要原因是其涡轮泵可以在大范围内调节,这样其火箭发动机推力的调节范围就非常大。想一想,它能靠着自己的火箭发动机垂直返回,就知道其推力调节范围之大和敏捷度之高了。当然,这种动力冗余技术可能会带来成本升高,本来8台能干的事让9台发动机来干,似乎是多了一些死重。但是对于“猎鹰9”来说这又不是问题,因为它的一级是可以回收再利用的。

美国的猎鹰9的芯一级虽然使用了多达9台发动机,但火箭起飞后如果其中一台发动机出现问题、90秒钟后两台发动机故障都不影响发射。

美国的猎鹰9的芯一级虽然使用了多达9台发动机,但火箭起飞后如果其中一台发动机出现问题、90秒钟后两台发动机故障都不影响发射。

目前,推力调节能力也是目前主流运载火箭的一种必备技能。但是在上一代长征火箭不具备这种能力。而长征-5号和长征-7号的发动机已经具备了一定范围内的推力调节能力。但是这似乎并不能像“猎鹰-9”那样用来提高其可靠性。因为长征-5号运载火箭弹4个助推器的液氧和煤油储箱是独立的,一旦有一个助推器发生问题,即便其他发动机通过提高自身推力来弥补,但是这些燃料是无法共享的。

即便如此,长征-5号的设计可靠性仍然是非常高的。长征五号的核心控制仪器普遍采用了三余度技术,也就是有3个相同的设备仪器相互备份。中国现役火箭的设计可靠性最高的是0.97,而长征-5号整箭设计可靠性达到了0.98,而其氢氧发动机的可靠性则高达0.9898,当然这都是理论值,而且不等同于发射成功率。

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  1. 差距不小啊
    匿名2017-08-02 01:01 回复