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火箭发动机,人类玩火的极致(八)——克服重重困难 长征五号复飞成功

2019-12-28 09:29:13
导读
12月27日20时45分,长征五号遥三运载火箭在中国文昌航天发射场点火升空,2000多秒后将实践二十号卫星送入预定轨道,发射飞行试验取得圆满成功。

【文/科工力量 柳叶刀】

在长征五号火箭研制之前,中国的长征系列运载火箭一直是在已有的技术基础上进行改进,核心部件火箭发动机推力没有质的提升,增大火箭的推力与射程,只能依靠加装助推器与火箭的级数。老旧的火箭使用有毒的四氧化二氮与偏二甲肼推进剂,剧毒且污染环境。

为全面提高中国运载火箭的整体水平和能力,中国急需一种大推力、高可靠、低成本、无毒、无污染的运载火箭。新火箭还需具备模块化设计,可根据不同模块组装成不同推力的火箭。长征五号火箭就是在这种背景下进行研制的。

改造老旧型号火箭  长征三、四号推力性能无本质提升

自20世纪70年代以来,中国一直依靠“长征二号、长征三号、长征四号”运载火箭及其改进型来完成大部分轨道发射任务。如果追溯技术源头,这三型火箭都源自1971年首飞的东风5号洲际弹道导弹(两级液体火箭)。

“长征三号”运载火箭是以“长征二号”运载火箭为基础进行研制的,主要关键技术在火箭的第三级(上面级)。第三级火箭首次采用低温液氧/液氢推进剂,液氧的沸点温度在-183℃,液氢沸点温度更低为-253℃,在这样低的温度下,有许多难题需要克服。

该型火箭的第一级安装四台YF-21发动机,第二级是一台YF-24发动机(即:YF-22主发动机+四燃烧室YF-23游动发动机),这样的火箭一、二级设计与长征二号类似,变化不大。

长征三号运载火箭第三级所使用的YF-73氢氧发动机,由1台涡轮泵和4个独立的推力室并联组成,4个推力室同在一个圆周,呈“十”字形安装在发动机机架上,每个推力室都可沿圆周切向摆动,以控制飞行姿态,可以两次点火工作。

“长征三号”第三级YF-73发动机,由1台涡轮泵和4个独立的推力室并联,涡轮泵排气加热氢气和氦气,分别给氢、氧贮箱增压

YF-73发动机结构图,采用开式循环,四个燃烧室推进剂由一台涡轮泵驱动

“长征三号甲”第三级YF-75氢氧发动机,通过机架并联两台该型发动机使用,发动机可双向摆动,YF-75是继YF-73之后的中国第二代低温发动机

作为发射地球同步轨道卫星的备份火箭,上海航天局自1974年起,用了10年的时间成功研制了“长征四号甲”和“长征四号乙”运载火箭。

与长征三号思路相似,长征四号火箭也是在“长征二号”的基础上增加一个第三级形成的,一级和二级继承了“长征二号”和“长征二号丙”成熟的技术,但与长征三号不同的是,增加的火箭第三级使了与一、二级相同的常温液体推进剂(偏二甲肼/四氧化二氮),动力为两台YF-40发动机,可双向摆动。

YF-40发动机

攻克大推力发动机技术难题  研制长征五号运载火箭

“长征五号”早于1986年在“863计划”支持下开展了前期的论证,但那时的中国航天工业还不具备生产大推力火箭发动机的能力,这意味着大推力火箭只能存在于概念中。不过,这种情况在90年代初发生了改变,当时中国获得了俄罗斯RD-120发动机成品(可能还有设计文件),RD-120就采用了先进的高压补燃循环技术。

高压补燃循环,预燃室中氧气充足,排气驱动涡轮泵后,全部注入燃烧室

21世纪初,国内开始研制两种大推力火箭发动机:基于RD-120技术的120吨推力液氧/煤油发动机YF-100和50吨推力液氧/液氢发动机YF-77。

实际上,YF-100和YF-77在研发的过程中都遭遇了重大挑战,导致了长征五号发展的重大延迟,中国航天业花了近20年的时间才消化完RD-120技术,并给出自己的设计。使中国成为既俄罗斯之后,成为世界上第二个掌握高压补燃循环发动机技术的国家。

YF-100发动机,基于俄罗斯RD-120发动机技术,采用液氧/煤油推进剂,使用高压补燃循环技术,长征五号助推器动力,半个世纪前,美国土星五号运载火箭采用F-1发动机,地面推力约690吨,相当于5台YF-100发动机

YF-77火箭发动机,采用液氧/液氢推进剂,YF-77火箭发动机采用开式循环,预燃室产生的燃气,分别驱动燃料泵和涡轮泵(这样的设计是考虑到密封性问题,防止氢气与氧气接触,产生爆炸),驱动涡轮后的废气直接排到发动机外面

中国航天科技集团公司和国防科工委于2001年开始对下一代运载火箭进行初步研究,该计划不只是发展一个新的运载火箭,还包括对整个空间基础设施进行广泛的升级,在天津建造新的运载火箭和宇宙飞船制造和测试工厂,在海南岛建造一个新的发射场,并建造用于两地转运火箭设备的海上运输船。

长征五号的设计任务被分配给中国运载火箭技术研究院(即中国航天科技集团第一研究院),该火箭是一种全新的设计,采用了以前长征火箭设计所没有的一系列新技术,包括新的发动机、数字飞行控制系统、新的焊接技术等。

长征五号系列实行模块设计,由直径为5米、3.35米和2.25米的三种模块构成。其中5米模块包含两台50吨级YF-77发动机(芯一级)或两台9吨级YF-75D发动机(芯二级),3.35米模块包含两台120吨级YF-100发动机,2.25米模块包含一台120吨级YF-100发动机。

模块化设计的好处是可以根据需要,把不同模块组装成不同推力的火箭,以执行不同的任务。例如长征五号运载火箭系列中最强的型号,以两个5米模块主推进器,另配4个3.35米模块助推器。

经历种种坎坷 长征五号再次屹立海南文昌

长征五号作为中国新一代重型运载火箭发射系统,与欧洲的阿里安5型(Ariane 5)和美国的德尔塔IV型(Delta IV)重型火箭的性能并肩。该型运载火箭的设计目的主要是将商业卫星、空间站模块和深空探测器送入轨道。

2016年11月3日,长征五号遥一火箭搭载实践十七号卫星,在海南文昌发射成功,但发射过程中二级故障提前关机,但上面级通过延长燃烧时间成功把卫星送入预定轨道。火箭采用“远征二号”上面级,其动力为两台YF-50D发动机,推进剂为四氧化二氮与偏二甲肼。

此次采用芯一级两台50吨级氢氧发动机与四枚助推器各两台120吨级液氧煤油发动机组合起飞方案,10台发动机同时点火,起飞推力达1060吨。距离美国土星五号的近3000吨起飞推力,还存在一定差距。

长征五号底部发动机布局

2017年7月2日,长征五号遥二火箭搭载实践十八号卫星,因为一级故障,发射失败。公开资料显示,发射失利原因是,两台YF-77芯一级液氢液氧发动机其中一台出现了异常。

此前,天津航天长征火箭制造有限公司总经理陶钢接受记者采访时表示,通过对故障的定位、分析,已经查明原因,而且采取了有效措施。如今,长征五号遥三火箭又屹立在海南文昌发射场。

助力“长征九号”载人登月  500吨级发动机研制工作不断推进

国内早已经意识到自己在大推力火箭发动机研制方面的落后,除了确保“长征五号”计划顺利进行,还正着手研制单台推力达500吨的液氧煤油机及单台推力为200吨的氢氧机,这两型发动机,将是负责中国载人登月、火星考察的“长征九号”重型运载火箭的主力发动机。

从左至右依次为:土星五号、美国新一代SLS火箭、长征九号、美国蓝色起源公司的New Glenn火箭、SpaceX公司的Starship火箭

今年3月,由中国航天科技集团六院研制的500吨液氧煤油发动机燃气发生器-涡轮泵联动试验取得成功。

目前,世界上超过500吨级液体火箭发动机仅有两款,一款是美国F-1火箭发动机,这是美国阿波罗登月的土星五号运载火箭的芯一级动力。另一款是俄罗斯的RD-170,这是迄今为止推力最大的火箭发动机,最大推力达到840吨,不过包含四个燃烧室。

去年11月份,在珠海航展上,俄罗斯动力机械科研生产联合体展示了RD-180火箭发动机(RD-170的燃烧室减半)。该公司的总经理伊戈尔·阿尔布佐夫在接受记者采访时表示,希望中国可以引进RD-180发动机。因为RD-180推力达400吨,可以满足当前的载人登月任务需求。

RD-180发动机,双燃烧室

冷战结束后,美国航天部门的预算大幅削减,急需一款性能稳定价格便宜的火箭发动机,所以俄罗斯的RD-180发动机成为美国航天部门采购的对象。2018年1月,据Ars Technica(美国一家从事技术新闻深度报道的网站)报道,自2014年克里米亚危机以来,美国国会一直加大对本国航空航天业的压力,要求其终止使用俄罗斯生产的火箭发动机。一些议员要求联合发射联盟公司在其“宇宙神V号”运载火箭中停止使用俄制RD-180发动机。

联合发射联盟公司计划在下一个10年初期过渡到使用美国国产发动机,采用其他已经飞行或很快就要上线的美国火箭,俄制RD-180发动机的制造商正在寻求别的市场。Ars Technica报道称,中国对这一发动机感兴趣,但不想购买成品发动机,而是希望获得生产技术许可。

美国开始弃用RD-180发动机,俄罗斯开始同中国商谈火箭发动机领域的合作。不过,随着中国自己的500吨级火箭发动机的研发不断推进,可能意味着中国不需要引进俄罗斯的RD-180。

结束语

1990到2010年之间,中国将有限的航天资金,集中在载人航天(神舟与天宫系列)与探月工程项目上,具体到运载火箭分系统的研制上,主要是对长征二号、三号液体火箭的进行改进,但推力性能无本质提升。

为全面提高中国火箭的整体性能,通过多年技术攻坚,作为长征五号运载火箭动力的YF-100、YF-77大推力发动机早已研制成功。如今,克服此前发射失利的长征五号,又一次屹立在海南文昌发射基地,成功复飞。但是,长征五号并非中国航天的终点,更强大的长征九号重型运载火箭搭载着“载人登月”梦想,也已离我们不远。

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来源:观察者网 | 责任编辑:柳叶刀
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