我們的征途是星辰大海,長征五號成功發射,奠定航天強國基礎

2019-12-30     礪劍堂

12月27日,長征五號遙三運載火箭在海南文昌成功發射,將實踐二十號試驗衛星送入預定軌道。

關於長征五號運載火箭的各項參數,各種媒體已經報道的很全面了。在這裡炒冷飯意義不大。因此,我們將把討論重點放在長征五號和這次發射本身承載的意義以及長征系列火箭未來的展望上。

一、這是一款全新的火箭。

長征五號火箭是中國第一款採用液氧煤油動力+液氫液氧動力的運載火箭,也是中國第一款大型運載火箭。之前我們在學習強國上耳熟能詳的長征二號、三號火箭上使用的YF-21\\24發動機使用偏二甲肼為燃料,四氧化二氮為氧化劑,單台推力都只有750KN左右,比沖只有260秒(比沖代表單位推進劑燃燒產生的衝量,數值越大,發動機效率就越高)。而長征五號的液氧煤油發動機YF-100單台推力高達1223.5千牛,比沖330秒;液氫液氧發動機YF-77單台推力為509.6千牛,比沖高達400秒以上。

YF-77液氫液氧火箭發動機

劃重點:對於多級液體運載火箭來說,起飛加速階段追求推力,要用最大的力量克服地心引力使火箭加速,因此助推器和芯一級的推力指標成為了第一要求;而中間級和最上面級的火箭發動機已經不需要克服第一級和助推器本身的重力,卻肩負著將載荷運送至遙遠的目標軌道甚至是星球的任務,所以要求自身重量要小(不能和任務載荷搶重量),但是單位重量能產生的推力也就是比衝要高。因此,長征五號的助推器使用了液氧煤油發動機,而芯一級和芯二級使用了液氫液氧發動機。細心的你可能會問,為什麼芯一級不使用推力更大的煤油發動機呢?因為長征五號芯一級直徑要和芯二級一致為5米,而出於成本的考慮並未研發配合直徑5米芯體使用的液氧煤油發動機。同理,使用YF-100作為第一級的長征七號運載火箭,芯體直徑和長征五號的助推器直徑一致,都是3.35米。畢竟火箭這個東西,一切都是為了載荷任務服務的,夠用就好。

YF-77煤油液氧火箭發動機

中國在氫氧機上的實踐並不是空白。長征三號的第三級使用的就是YF-75氫氧機,然而單台推力只有83.6千牛,因此YF-77可以說完全是重新研製的一款氫氧機;而YF-100之前,中國還沒有運載火箭使用過煤油機。如果說煤油機的設計要素和性能特點和之前的偏二甲肼相似一些,那麼氫氧機和使用其他燃料的發動機完全不同。氫氣的沸點為-252℃,這就意味著火箭發動機的渦輪將同時在-252℃以下的極端低溫和3000攝氏度的低端高溫之間不停旋轉,這對材料和工藝的要求極為苛刻。而氫氧機的渦輪失效,正是第一次發射險些失敗和第二次發射徹底失敗的根本原因。因此,長征五號不但是一款全新的火箭,更是一款高難的火箭。

二、本次發射成功的意義

(一)完成載荷發射任務。本次發射成功的實踐二十號衛星本身就是中國通信衛星的巔峰之作。實踐二十號通信衛星實現了5.5GHZ的Q/V頻段星地通訊——怎麼理解這句話呢?差不多可以粗略理解為實現了衛星和地面的5G通信數據傳輸,甚至比現有的5G還要快一些!傳輸速率最高達10Gbps,總容量為1T。和5G基站一樣,這個衛星也是耗電大戶,為了滿足通信所需的電力,實踐二十號衛星安裝了超大面積的太陽能帆板,具備化學推進和電推進兩種推進系統用於軌道維持和變軌。

(二)驗證"歸零"成果。長征五號遙二的失敗,使得長征五號火箭被技術"歸零",所有環節都從零開始進行驗證。然而火箭不比汽車輪船或者飛機,失事連殘骸都找不到,只能通過有限的遙測數據進行推測,儘管發射前準備已經萬無一失了,但只有發射成功才是對技術"歸零"成果的最終評判。如今看來,這個成果非常圓滿了。

(三)鍛鍊隊伍。從視頻里看,坐在測控大廳裡面的鮮有白髮蒼蒼的老人,都是是髮際線正常、轉筆賊6、愛歡呼愛吶喊的年輕人。這些年輕人組成的隊伍才是中國航天工程最寶貴的財富。他們經歷了失敗,付出了努力,收穫了失敗的經驗,走在了時代的前沿。在他們的職業生涯初始,就親身體驗了一把從巔峰到谷底再重上雲端的事業,就已經明白了"穩妥可靠、萬無一失"的真正含義。

三、對未來的展望

長征五號的發射,是中國由航天大國邁向航天強國的序章。在長征五號及其成功驗證的YF-100\\YF-77的基礎上,一系列新的發動機和新的火箭得以順利研製。目前在研的YF-220氫氧機,單發推力高達2200千牛;同樣在研的還有YF-480煤油機,已於今年3月份燃氣發生器和渦輪泵聯試成功,推力高達4800千牛。兩者將共同組成可以與當年土星五號媲美的大傢伙——長征九號!長征九號目前計劃近地軌道載荷能力為140噸,地月轉移軌道約50噸,地火轉移軌道約40噸,是中國載人登月計劃乃至火星登陸計劃的中堅力量,計劃2030年發射。

即使近期,長征五號也將發展出各種新型號。其中,長征五號乙專門針對近地軌道載荷發射,減少了長征五號基本型的第二級,成本更低,載荷能力更強。基於使用YF-100發動機的長征七號發展的長征八號,也將於2020年首發。在長征九號之前,也許會出現直徑5米芯一級使用YF-100煤油發動機的推力更大的運載火箭。

總之,隨著YF-100/77的可靠成熟,中國航天正是完成了由0-1的蛻變,接下去就只是做加法、乘法的問題。(下面是日常DISS時間)正如同SPACEX,躺在NASA的梅林液氧煤油火箭發動機上,打補丁做軟體,使用了9台梅林做1級,1台梅林做2級攢出了獵鷹9號,近地推力尚可,更高軌道推力則是一塌糊塗(比沖不足),突出了SPACEX火箭發動機研發能力的薄弱環節——乘法做的比加法好,不能做大就只能做多。獵鷹9號的9台發動機可靠性尚可,但是重型獵鷹使用27台作為芯一級的可靠性就很模糊了。同樣,由於其不具備液氫液氧發動機技術,二級只能使用一台梅林發動機"湊數"。因此其近地軌道運載能力超強,但地球同步軌道運載能力為26.7噸(不回收)就顯得很不突出了。但是對於中國來說,核心技術的"易筋經"已經練成,儘管YF-77的各項指標在世界氫氧機中仍顯靠後,但是一旦YF-220和長征九號研發成功,中國就能夠複製當年土星五號的傳奇!

文章來源: https://twgreatdaily.com/zh-sg/wCjjVm8BMH2_cNUg-3LH.html