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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

中国新一代运载火箭评析之一  

2009-09-29 14:22:22|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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      我在以前的博客文章里,提到过现有长征火箭的落后,这是个很尴尬但却是冷冰冰的现实。航天工业和其他的工业部门不同,即使在技术最发达的美国,也从来没有形成依靠自身造血的良性循环,世界各国航天工业都靠政府的大规模投资维持。人穷志短,我国曾经有过国防投资大幅削减的历史,巧妇难为无米之炊,也自然难以希翼航天工业在技术上如何先进。不客气的说,我们的火箭技术和主要航天强国差了一代,当然,如果航天列强算上印度,那倒是有个做伴的。
       这其中,主要是发动机的落后,长征火箭的发动机,来自于东风5号的YF-20及其变种,航天一院现在给了很多花哨的名字,DaFY5-1,DaFY6-2,DaFY20-1,其实都是一个的马甲及其组合,作为1960年代开发的发动机,在那个时代,对比欧洲和日本,都不算落后,不过现在看起来,就很差了。航天一院在长三乙http://www.calt.com/zycp/yzhj/200703181313154a301a.asp的官方页面中,提到了比冲,海平面比冲2556.2牛*秒/千克,真空比冲2922.57牛*秒/千克,对比欧空局火神2的真空比冲4223牛*秒/千克或是日本宇宙开发机构LE-7A的真空比冲4312牛*秒/千克,实在性能天地之别。就以推力来说,740千牛(约折合75吨)的推力,对比即使是新一代发动机中推力偏弱的LE-7A或是火神2,也分别是1120KN和1340KN,也差了很多。发动机比冲和推力落后,要想得到同样的运力,就要付出大得多的代价,运载火箭的性能也自然好不起来。
中国新一代运载火箭评析之一 - squirrel - 松鼠的空天随笔
YF-100液氧煤油发动机     
      新一代的长征5号火箭立项时间是在2006年,和H-IIB相比也没早什么。长征5火箭的技术核心,是航天6院开发的新一代发动机YF-100和YF-77。YF-100高压补燃液氧煤油发动机的技术可以追溯到苏联的RD-120,在1990年代引进了RD-120的技术上,通过逆向工程摸清了高压补燃发动机的设计原理,以此为基础,开发出了新的YF-100大推力高压补燃液氧煤油发动机。YF-100地面推力1199.19千牛,真空推力1339.48千牛,真空比冲3286.2牛*秒/千克。对比国外的液氧煤油高压补燃发动机,如俄罗斯的NK-15/33,RD-120,RD-170/171/180/191来说,算是很中规中矩的指标,比冲适中,推力其实也算不上大,但是对于第一次涉猎高压补燃发动机开发的中国来说,其实很难得了,毕竟是第二个开发高压补燃液氧煤油发动机的国家;
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YF-77液氢液氧发动机
      YF-77燃气发生器循环液氧液氢发动机则是独立开发的技术,由于我国材料机械基础工业落后和开发推力氢氧发动机固有的高难度,对比同类型发动机,YF-77发动机指标只能用惨不忍睹来形容。地面推力509.60千牛,真空推力699.52千牛,真空比冲4177.6牛*秒/千克,推力算起来只有火神2的一半略多,比冲略低,在对比两型发动机开发的年代,"大推力"三个字实在说不出口。不过敝帚自珍,对比以前只有78.5千牛真空推力的YF-75发动机来说,也是一个很大的进步。
      话说回来,发动机上仍然有很大差距是相对于美俄而言,对比欧空局和日本宇宙开发机构,在发动机上,我国已经赶了上来。如果一定要纠结于没有分级燃烧的氢氧发动机的话,把YF-100改为氢氧发动机并没有技术上的大障碍。我国第一型氢氧发动机YF-73,就是YF-23肼类发动机直接改为氢氧燃料的;分级燃烧循环的技术在YF-100已经有了工程验证,大推力氢氧机在YF-77上也有了工程验证,再有苏联人NK-33改用液氢燃料的先例,以YF-100为基础发展出一型比冲略低于推力相近于LE-7A的分级燃烧的氢氧发动机是轻而易举的事情。等到2013年最晚2014年,长征5号或是小型的长征6号首飞后,面对发动机上曾经落后于日本的历史终于可以释然了。
中国新一代运载火箭评析之一 - squirrel - 松鼠的空天随笔
长征5号5米直径构型
      长征5号的规划是采用模块化的设计,应对地球低轨道10~25吨,同步转移轨道6~14吨的运力需求,设计上是很不错的构型。对比老式长征火箭地球低轨道最大运力8吨多(长征3乙用于低轨道发射可以达到11.2吨,但是从来没有使用过),同步转移轨道只有5.5吨的运载能力,长征5号有了本质的提高。对比其他航天列强的主力运载火箭,如美国EELV计划的Delta4和Atlas5,俄罗斯的Angara,欧空局的Ariane5,运载能力基本在伯仲之间,比之日本宇宙开发机构的H-IIA/B运载能力要高了50%左右。在运载能力上,长征5号出现后,我国再次回到航天列强的行列里,只留下日本和印度做伴了。
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长征5号5米直径火箭总体参数
      未来探月计划小三步绕落回中的第三布也就是自动采样返回探测器,未来的大型空间站20吨级核心舱段,未来类似美国KH-12锁眼的大口径高分辨率光学侦查卫星,都需要长征5号发射。长征5号服役后,我国也将拥有阿里安5(Ariane5)一样的一箭双星发射同步转移轨道通讯卫星的能力。一箭双星分离技术上难度不大,问题在于现代静止轨道通讯卫星重量都在3吨以上,一般都是4吨多甚至很多5吨重的,我国更新一代的东方红6通讯卫星,更是可能达到6吨以上重量,没有10吨以上的同步转移轨道GTO运载能力,无法实现通讯卫星的一箭双星发射。一箭双星能力意味着长征系列火箭商业竞争能力的增强,对于已经发射过30颗国外卫星的长征系列火箭来说,在商业竞争上将如虎添翼。此外,面对登陆月球的热潮,我国火箭专家龙乐豪老先生本着节俭费用的原则,还提出过一次发射3枚长征5号火箭,采用环月对接方式,进行短期载人登月探测的建议。从技术上看,这是一个很省钱的方案,不过中国航天人的梦想,远不止于蜻蜓点水的登一次月,当然这就是后话了。
     
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