我们的征途是星辰大海,长征五号成功发射,奠定航天强国基础

2019-12-30     砺剑堂

12月27日,长征五号遥三运载火箭在海南文昌成功发射,将实践二十号试验卫星送入预定轨道。

关于长征五号运载火箭的各项参数,各种媒体已经报道的很全面了。在这里炒冷饭意义不大。因此,我们将把讨论重点放在长征五号和这次发射本身承载的意义以及长征系列火箭未来的展望上。

一、这是一款全新的火箭。

长征五号火箭是中国第一款采用液氧煤油动力+液氢液氧动力的运载火箭,也是中国第一款大型运载火箭。之前我们在学习强国上耳熟能详的长征二号、三号火箭上使用的YF-21\\24发动机使用偏二甲肼为燃料,四氧化二氮为氧化剂,单台推力都只有750KN左右,比冲只有260秒(比冲代表单位推进剂燃烧产生的冲量,数值越大,发动机效率就越高)。而长征五号的液氧煤油发动机YF-100单台推力高达1223.5千牛,比冲330秒;液氢液氧发动机YF-77单台推力为509.6千牛,比冲高达400秒以上。

YF-77液氢液氧火箭发动机

划重点:对于多级液体运载火箭来说,起飞加速阶段追求推力,要用最大的力量克服地心引力使火箭加速,因此助推器和芯一级的推力指标成为了第一要求;而中间级和最上面级的火箭发动机已经不需要克服第一级和助推器本身的重力,却肩负着将载荷运送至遥远的目标轨道甚至是星球的任务,所以要求自身重量要小(不能和任务载荷抢重量),但是单位重量能产生的推力也就是比冲要高。因此,长征五号的助推器使用了液氧煤油发动机,而芯一级和芯二级使用了液氢液氧发动机。细心的你可能会问,为什么芯一级不使用推力更大的煤油发动机呢?因为长征五号芯一级直径要和芯二级一致为5米,而出于成本的考虑并未研发配合直径5米芯体使用的液氧煤油发动机。同理,使用YF-100作为第一级的长征七号运载火箭,芯体直径和长征五号的助推器直径一致,都是3.35米。毕竟火箭这个东西,一切都是为了载荷任务服务的,够用就好。

YF-77煤油液氧火箭发动机

中国在氢氧机上的实践并不是空白。长征三号的第三级使用的就是YF-75氢氧机,然而单台推力只有83.6千牛,因此YF-77可以说完全是重新研制的一款氢氧机;而YF-100之前,中国还没有运载火箭使用过煤油机。如果说煤油机的设计要素和性能特点和之前的偏二甲肼相似一些,那么氢氧机和使用其他燃料的发动机完全不同。氢气的沸点为-252℃,这就意味着火箭发动机的涡轮将同时在-252℃以下的极端低温和3000摄氏度的低端高温之间不停旋转,这对材料和工艺的要求极为苛刻。而氢氧机的涡轮失效,正是第一次发射险些失败和第二次发射彻底失败的根本原因。因此,长征五号不但是一款全新的火箭,更是一款高难的火箭。

二、本次发射成功的意义

(一)完成载荷发射任务。本次发射成功的实践二十号卫星本身就是中国通信卫星的巅峰之作。实践二十号通信卫星实现了5.5GHZ的Q/V频段星地通讯——怎么理解这句话呢?差不多可以粗略理解为实现了卫星和地面的5G通信数据传输,甚至比现有的5G还要快一些!传输速率最高达10Gbps,总容量为1T。和5G基站一样,这个卫星也是耗电大户,为了满足通信所需的电力,实践二十号卫星安装了超大面积的太阳能帆板,具备化学推进和电推进两种推进系统用于轨道维持和变轨。

(二)验证"归零"成果。长征五号遥二的失败,使得长征五号火箭被技术"归零",所有环节都从零开始进行验证。然而火箭不比汽车轮船或者飞机,失事连残骸都找不到,只能通过有限的遥测数据进行推测,尽管发射前准备已经万无一失了,但只有发射成功才是对技术"归零"成果的最终评判。如今看来,这个成果非常圆满了。

(三)锻炼队伍。从视频里看,坐在测控大厅里面的鲜有白发苍苍的老人,都是是发际线正常、转笔贼6、爱欢呼爱呐喊的年轻人。这些年轻人组成的队伍才是中国航天工程最宝贵的财富。他们经历了失败,付出了努力,收获了失败的经验,走在了时代的前沿。在他们的职业生涯初始,就亲身体验了一把从巅峰到谷底再重上云端的事业,就已经明白了"稳妥可靠、万无一失"的真正含义。

三、对未来的展望

长征五号的发射,是中国由航天大国迈向航天强国的序章。在长征五号及其成功验证的YF-100\\YF-77的基础上,一系列新的发动机和新的火箭得以顺利研制。目前在研的YF-220氢氧机,单发推力高达2200千牛;同样在研的还有YF-480煤油机,已于今年3月份燃气发生器和涡轮泵联试成功,推力高达4800千牛。两者将共同组成可以与当年土星五号媲美的大家伙——长征九号!长征九号目前计划近地轨道载荷能力为140吨,地月转移轨道约50吨,地火转移轨道约40吨,是中国载人登月计划乃至火星登陆计划的中坚力量,计划2030年发射。

即使近期,长征五号也将发展出各种新型号。其中,长征五号乙专门针对近地轨道载荷发射,减少了长征五号基本型的第二级,成本更低,载荷能力更强。基于使用YF-100发动机的长征七号发展的长征八号,也将于2020年首发。在长征九号之前,也许会出现直径5米芯一级使用YF-100煤油发动机的推力更大的运载火箭。

总之,随着YF-100/77的可靠成熟,中国航天正是完成了由0-1的蜕变,接下去就只是做加法、乘法的问题。(下面是日常DISS时间)正如同SPACEX,躺在NASA的梅林液氧煤油火箭发动机上,打补丁做软件,使用了9台梅林做1级,1台梅林做2级攒出了猎鹰9号,近地推力尚可,更高轨道推力则是一塌糊涂(比冲不足),突出了SPACEX火箭发动机研发能力的薄弱环节——乘法做的比加法好,不能做大就只能做多。猎鹰9号的9台发动机可靠性尚可,但是重型猎鹰使用27台作为芯一级的可靠性就很模糊了。同样,由于其不具备液氢液氧发动机技术,二级只能使用一台梅林发动机"凑数"。因此其近地轨道运载能力超强,但地球同步轨道运载能力为26.7吨(不回收)就显得很不突出了。但是对于中国来说,核心技术的"易筋经"已经练成,尽管YF-77的各项指标在世界氢氧机中仍显靠后,但是一旦YF-220和长征九号研发成功,中国就能够复制当年土星五号的传奇!

文章来源: https://twgreatdaily.com/zh-hans/wCjjVm8BMH2_cNUg-3LH.html