长征七号即将首发,新火箭如何脱胎换骨

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所属分类:谣言

长征七号火箭,将于6月25日至29日,在海南文昌择机发射。这将是长征七号火箭的首次发射。图片来源:CAN PHOTO

6月25日,长征七号火箭将在海南文昌迎来首次发射,它将主要用于发射天舟货运飞船,给中国未来的空间站运送货物。

其实早在2009年,中国载人航天工程网就提到过一款火箭,用于满足发射货运飞船的需求。当时火箭的编号为长征二号F/H。这里的H指的是“换发”,也就是把长征二号F火箭的老式YF-20火箭发动机,更换为新一代高压YF-100补燃液氧煤油发动机。

中国上一代的长征二号、长征三号和长征四号火箭都使用YF-20系列发动机作为起飞级动力。YF-20使用四氧化二氮/偏二甲肼作为推进剂,这种推进剂可以在常温下存储。老一代长征火箭使用这种推进剂,实际上是直接继承东风五号洲际导弹技术的结果。毕竟,常温可存储的推进剂有助于提高反应速度,必要时还可以加注后长期战备值班。

不过话说回来,运载火箭并不在乎反应速度,发射推迟几天甚至十几天都是家常便饭,这时四氧化二氮/偏二甲肼推进剂过于昂贵的价格,以及强腐蚀和剧毒污染的危险,就越发难以容忍了。而新型的YF-100发动机选用的推进剂则是液氧和煤油。

为什么选用液氧煤油作为推进剂?首先,液氧煤油本身无毒无污染,燃烧产物也无污染,降低了对环境和加注人员健康的影响。其次,煤油是一种常温推进剂,存储运输和加注都相当方便。

此外,煤油价格便宜,航天用煤油也就是每吨1万元,作为氧化剂的液氧每吨只要不到2000元,而偏二甲肼每吨要8.2万,甚至四氧化二氮每吨都要1.8万元,使用液氧煤油组合可以显著降低推进剂成本。

最后,液氧煤油组合的密度高比冲也较高,比冲可以等价于我们熟悉的耗油率,这意味着同等推力下一样多的推进剂火箭发动机可以工作更久,可以把火箭加速到更高的速度。高比冲的液氢液氧推进剂密度太低,高密度的四氧化二氮/偏二甲肼剧毒有污染而且比冲略低,液氧甲烷组合比冲略高但密度却要低得多。综合而言,液氧煤油是很理想的火箭推进剂组合。

高压补燃

仅仅从四氧化二氮/偏二甲肼换成液氧煤油推进剂,YF-100发动机就可以称的上是脱胎换骨了。不只如此,YF-100发动机还是一种高压补燃发动机。

老式的YF-20是一种开式燃气发生器循环的发动机。所谓开式循环,指的是推进剂在燃气发生器中燃烧,产生的燃气驱动涡轮后,直接排放到空气中。这会导致浪费部分推进剂。

YF-100发动机采用的补燃循环又称分级燃烧循环,先把一部分推进剂在燃气发生器中进行富氧燃烧,产生温度较低的大流量高能燃气驱动涡轮,随后燃气还将排入主燃烧室进行完全燃烧。

长征七号火箭的芯一级装备了两台YF-100发动机,4台助推器也各装备了一台YF-100发动机。图片来源:作者供图

从推进剂使用效率来说,补燃循环的比冲要比开式循环更高。此外,补燃循环还更容易提高燃烧室压力,提高燃烧效率,进一步提高发动机比冲。根据中国工程院院士、液体火箭发动机专家张贵田院士的介绍,闭式循环比冲可以提高6%以上,对于典型的二级半火箭(即捆绑了助推器的二级火箭),起飞质量相同的话,运载能力可以提高30%,而运力相同的话,火箭起飞质量可以降低20%。

美国太空探索技术公司(SpaceX)的梅林1D发动机是开式循环液氧煤油发动机的巅峰之作,公开报道称梅林1D发动机的地面比冲仅有286秒,真空比冲也只有312秒,而YF-100发动机地面比冲为300秒,真空比冲更是达到了335秒之多,发动机比冲上的优势十分明显。

总而言之,YF-100高压补燃液氧煤油发动机使用了新的无毒无污染的廉价推进剂组合,使用了先进和高性能的高压补燃循环方案,发动机性能相当强悍。换用YF-100之后,新款火箭无论是运载能力还是运载系数都有了不小的提高,与长征二号F火箭已经大相径庭。

最终,这款火箭得到了长征七号的编号,成为中国新一代运载火箭3.35米直径构型的一种,名正言顺地从换发升级为换代。不只如此,长征七号火箭正式立项后研制使用的一系列新技术,也无愧于换代火箭之名。

数字火箭

长征七号是中国第一种使用全数字化设计和制造模式的运载火箭,因此又被称为“数字火箭”。它将成为中国未来中型运载火箭的基本构型,并和衍生型号承担起中国未来大部分航天发射任务。

数字火箭的数字化体现在什么方面呢?长征七号从设计、制造、试验到管理的全过程都使用数字化管理。数字化设计最为直观,简单地说就是通过数字化建模和仿真建立火箭的三维数字模型,实现用数字模装代替实物模装,进行火箭的装配和接口协调工作。这样的三维数字模拟装配检验,可以节省大量的人力物力,缩短研制周期。

举例来说,长征七号火箭助推器研制过程中,就通过数字化预装配发现了环管和框支架的干涉问题,及时反馈到设计部门,而传统研制流程下只有等到实际装配才能发现这样的问题,届时环管返工重新设计,不可避免会拖累到火箭设计试验的进度。

数字化制造技术可以在保证质量和降低成本的同时,大大减少设计和生产协调的麻烦,提高火箭总体的研制效率。长征七号火箭的整流罩就使用了数字化制造技术,它是中国研制的第一个没有实物模装的整流罩,整流罩三维设计文件下厂后直接生产,最终整流罩与地面设备完全吻合,没有任何质量问题。

数字化仿真对火箭的研制试验同样大有裨益,长征七号火箭助推器曾进行数字化仿真试验,提前发现了火箭伺服机构安装时空间不足的问题,从而有充裕的时间制作工装,简化了伺服机构的安装。要知道,制作工装至少要20天,如果没有数字化仿真提前发现问题,而是安装时再发现问题,研制进度必然大受影响。

长征七号火箭的全数字化,也有力推动了中国航天工业的数字化设计制造,为未来多快好省的研制更先进的运载火箭奠定了基础。

正在装配中的长征七号火箭。图片来源:中国航天科技集团

应运而生

根据著名私人航天网站太空发射报告(spacelaunchreport)的数据,2003年前后中国专家参加国际会议发布的论文中,提到了长征五号-340的编号,这是一种起飞重量522吨、近地轨道运载能力10吨的中型运载火箭,它正是今天长征七号的前身。

中国工程院院士、火箭与航天技术专家龙乐豪院士不久后公开发表的《新一代运载火箭》一文中, 同样提到了3.35米直径中型火箭的系列方案,其中A方案起飞重量540吨、近地轨道运载能力10吨,显然这是同一种构型,不过火箭已经略微增重了。

长征七号下一次浮出水面,已经是2009年载人航天工程网的报道了,此时长征二号F/H火箭已经增重到起飞重量579吨,近地轨道运载能力13吨,并明确提到将用于发射未来的货运飞船,也就是我们现在所说的天舟飞船。

2011年后长征七号火箭正式立项,年底公布的《2011年中国的航天》白皮书明确提到,长征七号火箭将具备近地轨道13.5吨、700千米太阳同步轨道5.5吨的运载能力,从此运力性能指标就此定格。

有趣的是,虽然长征七号的13.5吨运力在官方报道中再没有发生变化,但载人航天工程总师周建平介绍空间站的文章中却有意外发现。他在文中提到,中国货运飞船上行货物运输能力6500 千克,下行销毁废弃物能力 6000 千克,货运载荷比达 46%。如果按上行运力6.5吨计算,天舟飞船最大重量就成了14.13吨,那么长征七号火箭的运力也该略大或是至少与其相当才对。巧合的是,根据近期报道,长征七号火箭的起飞重量已经提高到597吨,这似乎也暗示了长征七号火箭运力有了进一步的提高。

对比天舟飞船的报道,我们可以推测长征七号火箭从最初的长征五号-340构型增重并增加运力,主要的因素就是发射越来越重的天舟货运飞船,毕竟长征七号是载人航天工程的一部分,最主要的任务目前就是发射天舟货运飞船。

长征七号火箭已经竖立在发射塔架,即将迎来首次发射。这也是海南文昌航天发射中心的首次发射任务。图片来源:中新社

或许正是因为满足需求优先的设计思路,长征七号火箭尽管使用了一系列先进技术,包括高比冲的高压补燃液氧煤油发动机,但它在业余爱好者津津乐道的运载系数上相当平庸。早期长征五号-340构型运载系数仅有1.91%,仅比发射天宫一号的长征二号F/T1的1.74%略高,而随后的改进中运载系数不断提高,但长征二号F/H火箭也不过是2.24%。最新报道中的长征七号火箭,如果按运力13.5吨/起飞重量597吨的算法约为2.26%,即使按照猜测的14.13吨的近地轨道运载能力,运载系数也不到2.37%而已。

如果说对比老式的长征二号火箭,长征七号火箭的运输系数有了不小的飞跃,但要对比国际先进水平,差距就显而易见了。俄罗斯的天顶2M和联盟火箭都是典型的二级/二级半液氧煤油火箭,天顶2M的运载系数达到了2.62%,即使是发射进步飞船的联盟2-FG火箭,运载系数也有2.26%。如果对比美国激进设计的猎鹰九号火箭,那么面对高达4.15%的运载系数就更要汗颜了。换句话说,由于总体设计的原因,长征七号火箭运载系数比天顶火箭弱得多,也没有和最原始的燃气发生器循环的联盟火箭拉开差距,YF-100高压补燃液氧煤油发动机很有些未尽其用的味道。

长征七号火箭并不出色的运载系数,让很多人感到难以接受。不过辩证来看,长征七号火箭的目标是发射货运飞船,同时在研制中突破掌握和应用一系列新技术,提高中国航天工业的技术水平。正如我们买车会问这种车是不是物美价廉,价格便宜的同时也有足够的可靠性,而不会斤斤计较发动机耗油率,更没人比较同样车重能带货物的多少,商业航天公司选择运载火箭,同样优先考虑价格和可靠性,而不会计较运载系数的高下。如果不去钻火箭运载系数的牛角尖,那么长征七号火箭应用了从高压补燃液氧煤油发动机、一体化电气系统到三垂发射模式和新的测控系统等一系列新技术,不论是纵向对比过去老式长征火箭的水平,还是体现出来的中国航天研制生产能力的进步,都具有很大的积极意义。

不管黑猫白猫,能抓到耗子的就是好猫,同样对于长征七号火箭来说,它不断修改适应载人航天工程发射货运飞船的要求,能完成这个任务就不辱使命。新技术的应用或是性能指标的提高只是锦上添花,我们本来也不应对此过于奢求。(编辑:Steed

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