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响雷

 
 
 

日志

 
 

响雷摘 中国火箭发动机补课20年 仅摆脱不入流水准  

2016-06-16 21:05:02|  分类: 中国军工 |  标签: |举报 |字号 订阅

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原题    独家:中国火箭发动机补课20年 仅摆脱不入流水准
响雷摘        中国火箭发动机补课20年 仅摆脱不入流水准 - 响雷 - f16.cd的博客
                                     长征七号运载火箭

关于中国新型液体火箭的意义

在长征系列新型运载火箭即将首飞的时刻,国内部分媒体报道,将长5/6/7新型系列液体火箭和发动机,特别是长征5号称为“世界先进水平”、“世界一流水平”,兵器迷并不这样乐观。

从前面四篇的描述可以看出,在1990年后,中国有限的航天资金,主要集中在载人航天(神州和天宫系列)上。因此液体火箭长发动机时间以四氧化二氮/偏二甲肼燃料为主力,发动机最大地面推力在70吨左右徘徊,几乎20年没有出过新型火箭正式型号。因此不要说是比美俄两国,就是比日、欧的100吨级产品,也已经有很大差距。印度在这20年里,也追得很快,某些方面并不弱于我们。

纵向比较,即以我们自身讲,神州5/6/7三个液发新箭和YF-77/YF-100两个新发,的确是具有突破意义的进步。氢氧发动机真空推力从8吨到70吨,煤油机增推60%,上了100吨大关。对于后续中国航天的载人空间站、重型通信卫星和探月计划的支撑将会非常给力,这些当然都值得充分肯定。

但横向比较,就是今年新箭都首发成功,真空推力130吨的煤油机YF-100与近半个世纪前美国690吨的F1、近30年前苏联800吨RD170如何相提并论;真空推力70吨的氢氧机YF-77又如何与14年前美方真空推力344吨的RS-68比肩?

不乐观,不悲观,要客观。

兵器迷的判断是这样:我们肯定自身的进步。同时必须清醒的认识到,这样的进步,也仅仅是让我们在20多年后重返运载火箭第二集团而已,补课的意味非常浓厚。

私下说:我们再不补这个课,就快要不入流了(2020年的三大任务都完不成),哪里谈得到什么“世界一流”?

响雷摘        中国火箭发动机补课20年 仅摆脱不入流水准 - 响雷 - f16.cd的博客

 长征六号运载火箭

关于氢氧机和煤油机的技术路线之争

有些媒体报道YF-100时,宣传中国是俄罗斯之后第二个掌握高压补燃循环发动机的国家,连美国都望尘莫及。其实,高压补燃循环未必是最高大上的循环方式。兵器迷对这个问题做过相关讨论,现在再往深一层说几句。

液氢/液氧的能量密度高,推力室理论比冲比液氧/煤油高约1/3。所以氢氧机的比冲超过400秒是很轻松的事,而煤油机理论极限才390秒,实际工程上350秒就是天花板了。这就是为什么,追求高比冲的美国从1970年代以后就比较执着的选择氢氧发动机路线。大推力室(含燃烧室)、氢涡轮泵、氧涡轮泵、液氢除杂等核心技术都搞得定,美国先进的石化工业又为廉价液氢燃料铺平了道路。万事俱备之后,美帝愣是把别国通常仅仅用于上面级的氢氧发动机,搞成了RS-68这样的344吨大推力一级,没助推器直接起飞都没得问题。

那为嘛美国还要买俄罗斯的RD180呢?还是有搞不定的嘛,这就是价格。一般来说,氢氧发动机和燃料液氢,比液氧/煤油发动机和燃料煤油还是要贵一些。比如RD180比2000万美元的RS-68改型要便宜一半,所以美帝买毛子的货。再说,液氧煤油的推力虽然更大,但反正阿波罗计划后重型运载火箭需求少了,近地空间站用RD-180正合适。不过,2010年代后,看到中国的载人登月就要长出八字那一撇了,美国人又开始琢磨载人登火(星)。这下,重型推力的液氧/煤油才又有用武之地了。美国人也回头考虑重载煤油机了不是——到哪儿说哪儿,对吧。

而苏联正好反过来,氢氧机搞到200吨左右,就很难上得去了,大单室氢泵氧泵都搞不利索。而自家煤油机的大推力却可以轻松做到700-800吨,至今是全球最速激的一级动力。又是浮在石油上的国家,航天级精炼煤油那是取之不尽,所以才选择液氧煤油路线。同时在技术上用高压补燃来提高比冲,克服液氧/煤油的低比冲和煤油结焦积碳缺陷。

如此,才形成今天美俄各执液氢/液氧和液氧/煤油大推力发动机牛耳的局面。这个局面,是两个国家的不同液体火箭技术路线形成的,而并非美国一定达不到鹅毛这样的水平。反过来说,美国的氢氧机固然霸天,煤油机就真落后吗?人家为土星-5做过的690吨煤油机F1,到今天50年过去了。可放眼全球,除了美俄,谁敢说能做?

关于甲烷机

液氧/甲烷也是液体火箭。不过甲烷机还没有正式型号,本不在本文的讨论范围内。之所以再多谈几句,是因为2013年10月,航天六院的一则新闻说,101所的新一代60吨级火箭液氧甲烷发动机全系统首次点火试车获得成功,引起了部分网友的注意。有人评论说,甲烷机比较鸡肋,鼓舞士气也就罢了,发展型号不堪大用。

这话有道理,就连西安院的专业文献也认为:甲烷密度比冲比液氧/煤油发动机低,使用安全性也不如煤油;性能又比液氧/液氢发动机低。因此,看起来应用前途确实不明朗。

不过,甲烷也有其独特的优势:甲烷的冷却性能良好,再生冷却指数比煤油高75%,是仅次于液氢的再生冷却剂。比起液氢,甲烷可从天然气方便获取,沸点比液氢高90℃,成本比液氢低,相对密度比冲又高了约80%。比起煤油,它的结焦温度高、富燃燃烧积碳少、沸点低、重复使用时无需清洗。因此,液氧/甲烷发动机是可重复运载器较为理想的选择。与俄罗斯为单级入轨或重复使用而研制的液氧/煤油/氢三组元发动机RD-701和RD-704有一拼。

有朋友疑惑了: 可重复运载器……什么的干活?

您要看这个词儿眼生,看看下面这张图,估计就想起来了,呵呵。

中国神龙空天机

据报道,中国有“神龙”和“遨天”两个可重复运载器项目。预计至少有一个2020年到达研制节点。这么看,说不定,甲烷机这鸡肋,哪天变鸡腿了,呵呵。

果真如此,中国的甲烷型号机,2020年见!

关于技术之外的因素

有些网友的技术功底很深,在探讨时对新技术推崇备至,兵器迷很佩服。

不过,就具体型号而言,除了技术,也还是要结合其他因素,比如需求、成本。

比如:印度的PSLV火箭,50吨级推力,近地轨道3.25吨。不要说比长5的LEO 25吨,就是比长2F的LEO 9吨,也是小巫见大巫啊。可就是这样一枚连网友们都不拿正眼看的极地卫星火箭,在3年前的2013年11月5日,将印度首个月火星探测器发射升空,亚洲第一。这样低的成本,这样低的技术,这样高的效益。同在亚洲超过印度几个身位的日本、中国,其实很值得反思。

再如:美国民营航天公司SpaceX的猎鹰9运载火箭,近地轨道LEO 22.8吨;地球同步转换轨道GTO 8.3吨。一级9台50吨级的煤油机Merlin发动机并联,开式循环。设计极致简约,与分级循环高压补燃什么的高技术完全绝缘。长径比达到让人惊讶的19,干质比超过25,完全突破行业经验值。网载SpaceX公司CEO埃隆·马斯克(Elon Musk)说造价只有1600万美元(原文如此),发射价格5400-6200万美元,比俄罗斯质子号的7000万-1亿美元要便宜很多。完全一副经济实用型的样子,业界评价是“将改变商业发射规则”。

当然,中国也在搞低成本发射,主要是小卫星领域。比如长征6号,基本型700千米高度国内测控太阳同步轨道SSO运载能力将达到0.7吨(全球测控1吨)。发展型长6A的SSO轨道的运载能力提高到4吨左右,通吃中小LEO轨道和SSO轨道发射市场。一个小型煤油机火箭的改型,就会让高大上的中型机长征7号很不舒服。为什么?成本低啊。

不过,螳螂捕蝉黄雀在后,长6盯着长7的地盘,长11还盯着长6的饭碗呢。长7首发5天后的2015年9月25日,中国固体小型火箭长征11号一箭四星荣耀首发,700KM轨道达350kg。350公斤,别嫌小啊, 未来小卫星、微卫星的市场大着呢。何况长11就不能有增推型?

再加上长征11的测试-发射24小时急速快递,成本也超低:长11不要火箭发射场,不要勤务塔、不要脐带塔、不要导流槽,不要发射台——就能发射。

这位方了。那……要什么啊?

一片平地,就行。

意思就是:长11使用轮式转运车进行运输和起竖准备。至于有人说长11是脱胎于DF-31…….兵器迷可真不知道(严肃脸)。

重要的话说三遍:需求、技术、成本,要综合考量。如果仅仅是技术水平高,型号可不一定就能获得市场成功。

关于中国重型运载火箭规划

长征5号的近地轨道运载能力25吨,俄罗斯航天局在研的Angara A7运载火箭近地轨道运载40吨,但这些都算不上是重型运载火箭。

真正的重型运载火箭,是指火箭起飞推力在3000吨左右、近地轨道LEO运载能力在100吨以上的火箭(比如美帝的F1,鹅毛的RD-170)。

根据中国航天科技集团《2011年度社会责任报告》和2013年航天六院谭永华院长的介绍,中国未来的重型运载火箭为长征9号。长征9号的主要用途,将是载(多)人登月等小行星探测、远离地球的深空探测、大型近地轨道空间站(单件50-80吨)建设等用途。

该型火箭的主要发展构型设想为三级半,即:

-芯一级动力:8米直径(含4台500吨级液氧/煤油发动机)

-助推器动力:4*3.35米直径(各含1台500吨级液氧/煤油发动机)

-二级动力:2*200吨液氢/液氧发动机

-三级动力:2*50吨级液氢/液氧发动机(估计为YF-77)

其中的200吨级液氧/煤油发动机和500吨级液氧/煤油发动机,分别参见《第二篇》和《第三篇》中的讨论。

长征9号火箭起飞质量达到3000吨(长征5号基本型不到900吨),近地轨道LOE运载能力超过100吨。媒体报道说“这样的运载能力,在目前各国在研的新型运载火箭中,将仅次于美国的太空发射系统(SLS)重型火箭,其地轨道运载能力为130-150吨”。不过不要忘记,SLS的主要动力:RS25氢氧发动机,在2015年6月25日,已经在密西西比斯坦尼斯航天中心完成了首次的650秒RS-25 氢氧发动机的测试。有底气的美国人,因此预计SLS火箭于2018年首发。而中国的长征9号、500吨级煤油机和200吨级氢氧机,还停留在远期规划的纸面上,尚未正式立项。

回首往昔,从仿制东风-1液体导弹开始,在近六十年的岁月里,中国液体火箭发动机和液体运载火箭,如同中国航天事业的一个象征,走过了坎坷艰难的发展历程。进入21世纪之后,中国航天发展速度明显加快。航天年发射次数2004年开始超过欧洲、2011年开始超过美国,在轨航天器超过100,稳居世界第二。2010年后至今,以长征5号、6号、7号新型液体运载火箭,和YF-77液氧/液氢发动机YF-100液氧/煤油发动机为代表,更是迎来了一波较新的重大突破。以一期年产12枚运载火箭的能力的天津生产基地和海南文昌发射基地为代表,运载火箭基础设施的步步夯实,也都历历在目。

展望未来,如果一切顺利,长征9号预计2030年首发——这个时间对于中国目前的技术水平,绝非一个宽松的时间表。而2016年长5和长7的首发成功,对于实现这个计划的实现是一个至关重要的起点。

航空航天强国,那是钱堆的,那是汗浇的,那是命拼的,那是一个真正大国的国家意志。

在中国的航空航天领域,有很多的落后需要去追赶;有太多的未知需要去探索;也必将更多的传奇将会被创造。

来路深深,前路漫漫。无论成败,无惧风雨,中国航天人的飞天梦想,永不褪色。

让我们祝愿,2016年长征系列新型液体运载火箭的首发圆满成功;

让这样的成功,为下一个十年中国的新一代重型卫星、嫦娥三期探月和载人空间站工程,拉开精彩纷呈的序幕;

让这样的成功,让更多这样的成功,为未来中国近地大型空间站建设、载人登月和宇宙深空探测,点亮一个数千年问天民族的伟大光荣,与梦想。

响雷摘        中国火箭发动机补课20年 仅摆脱不入流水准 - 响雷 - f16.cd的博客

               长征五号运载火箭

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