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松鼠的空天随笔

 
 
 

日志

 
 

细微之处见真章  

2011-12-11 10:41:17|  分类: Space |  标签: |举报 |字号 订阅

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       随着天宫一号和神舟八号的对接成功,我国开始掌握太空交会和对接技术,这是继嫦娥二号成功抵达第二拉格朗日点轨道后,我国航天事业的又一次显著进步。近些年来我国航天展开了载人航天和月球探测项目,取得了显著成绩,同时在地球轨道上的遥感、通信、气象卫星等领域也取得了很大的成绩,长征运载火箭又一次进入航天商业发射市场,这一切无疑是令人欢欣鼓舞的。不过取得这些成绩的同时,作为一个工业基础仍然薄弱,航天累计投入不足的发展中国家,我国航天技术尤其是推进技术上仍有很大的差距,这同样是值得我们留意的。
       航天要发展,动力要先行。火箭发动机对于运载火箭的性能起到了决定性的作用。我国运载火箭发动机主要为第一级的YF-20及其衍生型发动机,第二级一般使用YF-20的高空型YF-22及其改进型,长征三号系列和长征四号系列等三级运载火箭则分别使用低温氢氧发动机YF-75和常温肼类发动机YF-40/40A。这些发动机通过各种搭配组合构成了现役长征二号、三号和四号运载火箭,支持了我国航天事业的发展,但由于研制时间较早,这些发动机的技术水平和性能指标已经大幅度落后了。
       以YF-40上面级发动机为例,额定真空比冲2942牛秒每千克,等效于300秒(数据来自《世界航天运载器大全》,以后中国数据不加说明均出自这本书)比冲,YF-22发动机真空比冲2835牛秒每千克,等效289秒,经过这些年的改进YF-22B发动机比冲增加到2922牛秒每千克,等效298秒。对比之下,欧洲航天局阿里安5运载火箭的常温上面级发动机Aestus,真空比冲增加到了324秒。苏/俄和我国研制的高压补燃液氧煤油发动机,使用复杂的分级燃烧/高压补燃循环,研制费用至少比常规的燃气发生器循环液氧煤油发动机高出30%,制造费用 也大为提高,同时预燃器富氧燃烧带来更大的危险(一旦泄露就可能引发爆炸),付出如此多代价之后比冲的提高也就是30秒左右。张贵田院士在《研制先进的液氧/煤油火箭 发动机是提高我国航天技术 水平、加速运载火箭产业 化进程的有效途径》的报告中提到:“仅采用闭式循环系统就能提高比冲 6%以上。对二级半火箭来说,当起飞质量相同时,有效载荷能提高 30%以上;假若有效载荷相同,运载火箭起飞重量可降低 20%。使发射 1Kg 有效载荷的全寿命周期费用降低约 16%”,这虽然是论述高压补燃液氧煤油发动机的优势,但比冲提高的效果对其他发动机同样适用,我们很容易算出Aestus发动机比冲比YF-40发动机提高了8%,多达20多秒的比冲差距带来的性能提高是很显著的。我国YF-40发动机不具备二次启动能力,直到YF-40A才实现二次启动,虽然欧洲航天局的Aestus发动机同样很长时间不具备二次启动能力,但两者有很大的不同。阿里安5火箭用于GTO轨道发射时由于库鲁发射场纬度很低不需要二次启动即可将卫星送入GTO轨道,它发射高倾角轨道任务才需要二次启动能力,这也是发射ATV的阿里安5火箭才开始使用二次启动的Aestus发动机的原因。我国长征四号火箭长期以来用于高倾角的极地轨道发射任务,存在对二次启动能力的需求,长征四号乙到长征四号丙的发展中由于使用了具备二次启动能力的YF-40A,高轨道大倾角的极地轨道发射能力大为提高,这只能说我国在发动机的发展上,实在有些太保守了。低温氢氧发动机上我国的差距同样巨大。长征三号火箭的YF-73发动机单泵四燃烧室推力44.43千牛比冲420秒,远低于同时代的RL-10和HM-7B,1986年出现的日本LE-5发动机推力104千牛比冲450秒,性能要高的多。1994年我国YF-75发动机投入使用,YF-75发动机是两台78千牛发动机并联后的代号,两台发动机通过发动机舱并联彼此完全独立,单台发动机推力78千牛比冲440秒,在性能上仍然逊色于LE-5发动机和日本后继发展的LE-5A和LE-5B,更不要说制造的简易性和工作的可靠性等因素上也存在不足。时至今日,美国研制了上面级发动机的巅峰之作RL10B-2发动机,真空比冲达到了462.5秒,推力也达到了11.2吨,俄罗斯在研制RD-0146氢氧发动机其性能指标也很高,欧洲航天局的Vinci发动机推力180千牛比冲达到了465秒并进行了超过3000秒的试车,而我国仍然只有十多年前研制成功的YF-75发动机,更新研制的YF-75D刚刚开始研制,虽然转为膨胀循环但比冲推力基本保持不变,主要是发动机设计制造更为简单,从根本上提高了可靠性。总的说来,我国上面级发动机难以满足日益增长的运载能力需求。
       即使在第一级发动机上,我国同样存在差距,俄罗斯质子火箭使用分级燃烧循环的RD-253发动机具有高的多的比冲。第二级发动机上美国大力神4的LR-91发动机具有316秒的真空比冲,也高于我国第二级火箭YF-22B发动机的298秒,如果说对比RD-253还可以用分级燃烧固有的高比冲来回避,那么LR-91同样是燃气发生器循环,即使使用混肼A50比冲稍高,仍然掩盖不了技术差距的存在。在推力上,YF-20/22只有约742千牛相当于75吨的推力,和欧洲航天局的阿里安1~4火箭使用的Viking发动机相近,但对比RD-253和LR-87的1750千牛和1220千牛都差距很大,同时我国缺乏大推力的固体助推器,发动机推力不足直接导致了我国运载火箭运载能力的不足,使天宫一号目标飞行器和后继的天宫二号空间实验室质量限制在8.5吨,其实航天五院的工作人员又何尝不想研制制造更大的空间实验室做更多的验证工作呢,奈何现有长征火箭的运载能力已经接近极限,难以进一步提高,只能等待未来使用新一代发动机的长征五号和长征七号火箭了。不过长征五号的YF-100与YF-77发动机和长征七号使用的YF-100与YF-115发动机,虽然是我国正在研制中的新一代发动机,但技术水平和性能指标仍然存在很大不足,虽然由于发动机推力和比冲的提高,通过火箭综合设计使火箭的运载能力达到了美俄欧日的主流运载能力,但仍存在发动机推力和推重比偏低的问题,而且YF-77发动机更有氢氧发动机中比冲偏低的问题。有些泄气的说,这些新一代发动机面临还未完成就已经落后的尴尬处境,但怎么说也是敝帚自珍,何况火箭的总体运载能力终于跻身世界主流水平了。
       星载发动机上,我国仍然落后于国际主流水平。目前我国使用的液体远地点发动机(LAE)为上海801所研制的FY-25型490牛发动机,广泛应用在东方红三号、东方红四号卫星平台上,天宫一号也使用FY-25发动机进行轨道调整。FY-25发动机真空比冲仅有305秒,而国外90年代液体远地点发动机比冲就达到了310秒以上。目前欧洲宇航防务集团(EADS)的400牛推力远地点发动机Model S400-12真空比冲达到了318秒,改进型Model S400-15达到了321秒,更大推力的500牛发动机EAM真空比冲325秒,这些发动机使用一甲基肼加四氧化二氮(MMH+N2O4)的常温推进剂组合,EADS还有300牛推力的低温发动机,真空比冲415秒。日本石川岛播磨重工业株式会社(IHI)同样是远地点发动机的佼佼者,IHI的BT-4型液体远地点发动机推力500牛,真空比冲329秒,是目前比冲最高的卫星远地点发动机之一,不仅在日本得到广泛引用还远销美国,成为洛克希德马丁公司A2100系列卫星的主选发动机。虽然采用了日本的发动机,不过这并不意味着美国缺乏研制高性能星载发动机的能力,美国诺思罗普格鲁曼公司现有的TR-308发动机比冲达到了322秒,已经使用在钱德拉塞卡望远镜上,诺思罗普公司还有更先进的TR-312发动机,真空比冲达到了330秒,略高于日本的BT-4发动机,不过TR-312研制尚未完成,主要的原因就是美国卫星公司倾向于采购日本廉价现成的BT-4发动机。除此之外美国Aerojet公司还有R-4D远地点发动机,R-4D发动机性能很难看比冲只有312秒,但胜在可靠廉价,不仅在美国卫星平台和飞船上得到应用,还出口到日本在多个卫星平台上使用,日本的HTV飞船使用的就是R-4D发动机。目前我国第二代490牛发动机即将完成研制,已经通过了性能考核和可靠性考核,其比冲终于提高到315秒,赶上了国外90年代的主流水平。我国还在继续进行改进,希望在第三代490牛发动机上,将比冲提高到325秒,从而达到当前国际主流水平,不过那是很遥远的事情了。远地点发动机是星载发动机的重要一员,此外新型姿控的小型25牛发动机也在进行研制,力求比冲指标超过285秒,这与EADS的22牛发动机比冲相似,EADS的星载22牛发动机比冲约290秒,10牛发动机比冲291秒。目前GEO卫星广泛使用电推,如霍尔推进器和离子推进器,这方面我国在实际应用在仍是空白,继续迎头赶上,进行霍尔推进器试验的实践九号千呼万唤,2012年也该上天测试了。俄罗斯美国欧洲和日本都拥有实用的电推发动机,并进行了大规模的使用。电推发动机我国急需解决有无问题,通过电推的使用提高GEO轨道卫星的使用寿命,也降低上面级发动机故障致使卫星无法入轨的概率。电推发动机我国甚至落在印度的后面,印度GSAT4卫星计划进行国产霍尔推进器的测试,不过由于发射失败胎死腹中,未来中印两国谁的电推发动机首先测试,仍是未知之数,希望我国不会再次落后吧。
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