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再谈长征五号:没有失败的航天不叫航天

发布时间:2017-07-03  点击量:
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7月2日晚8时08分,新华社发布消息:7月2日19时23分,我国在中国文昌航天发射场组织实施长征五号遥二火箭飞行任务,火箭飞行出现异常,发射任务失利。

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长征五号遥二发射失利,航天业是高风险行业。

对于一枚全新的运载火箭来说,在其头几次发射中出现失利,并不是一件太让人感到意外的事。美国的重型德尔塔-4、欧洲的阿里安-5、日本的H-2、中国的长-3系列,都是经历了至少一次失利,才逐步走向稳定的。中国的工业底子不及欧美,出问题没有必要对航天业过多苛刻的责备。

欧洲的阿里安-5在1996年6月4日的首次发射就以爆炸告终,第二次发射部分失败。到今年6月28日,阿里安-5共进行了94次发射,所有的失败都是在前14次发生的,包括在第10次的部分失败和第14次的失败。自从2002年12月的那次失败之后,阿里安-5均获得成功。所以,长征-5号失利不可怕,关键是找到问题的根源,逐步完善。另外,航天是高风险活动,正是因为如此,航天工程师不应成为高风险职业,航天工程师不应受到额外的处罚和压力。

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1996年6月4日,欧洲阿里安-5首次发射,以爆炸告终。

我们再回到长征-5号,仔细分析下这次发射的长征-5号的构型,就能感觉它太复杂了,也太有特色了。其一级总共有10台发动机(2台YF-77和8台YF-100),芯级两台发动机并联的地面推力也只有约100吨,远远低于任何一台助推器的推力(约240吨),在起飞推力中贡献最小。可以说,长征-5号是靠着捆绑的助推器推上天的。

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阿里安的4次失利集中在前14次发射中。

其芯级的推质比小于1,芯级自己飞不起来,而且差的比较多。此前的中国的长征二号、长征三号系列,助推器也只是起到锦上添花的作用,不用助推器光靠芯级也是能上天的,只不过载荷小点。很多经典火箭的芯级推质比都是大于一的,比如美国的阿特拉斯(宇宙神)、德尔塔,它们通过捆绑不同的助推器,实现非常灵活的构型,将但范围载荷送入不同轨道。日本的H-2B运载火箭芯级推质比也不到1,但情况好些。其总重为总重量531吨(除有效载荷),其固体助推器单台重量76.6吨(真空推力1750千牛),也就是说芯级重量大约230吨,而其芯级的两台LE-7发动机的真空总推力大约224吨(当然海平面推力会低一些)。

这样,长征-5的一级总共安装了10台发动机,这从一定程度上降低了整体的可靠性。传统的设计观点认为,并联发动机越多,可靠性越差。为了简化起见,假设两台可靠性为0.9的发动机,将其简单并联在一起总体可靠性就降低为0.81。所以传统的火箭设计思想比较忌讳并联太多的发动机。苏联当年的N-1登月火箭几次发射全部失败,并联的发动机太多也是一个重要因素,这种火箭的一级并联了30台NK-33火箭发动机。

当然,这一定律在美国SpaceX公司的“猎鹰9”号运载火箭诞生后被颠覆了。该火箭的一级采用了9台“默林1D”发动机,但是火箭的整体可靠性却非常高。按照该公司的宣传,火箭起飞后如果其中一台发动机出现问题、90秒钟后两台发动机故障都不影响发射,因为其他发动机可以多输出功率,来弥补这一两台发动机的动力损失,所以整体可靠性反而有大幅度的升高。“猎鹰9”之所以具备这项“神技”,主要原因是其涡轮泵可以在大范围内调节,这样其火箭发动机推力的调节范围就非常大。想一想,它能靠着自己的火箭发动机垂直返回,就知道其推力调节范围之大和敏捷度之高了。当然,这种动力冗余技术可能会带来成本升高,本来8台能干的事让9台发动机来干,似乎是多了一些死重。但是对于“猎鹰9”来说这又不是问题,因为它的一级是可以回收再利用的。

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猎鹰9的芯一级使用了多达9台发动机,起飞后如果其中一台出现问题、90秒钟后两台发动机故障都不影响发射。

目前,推力调节能力也是目前主流运载火箭的一种必备技能。但是在上一代长征火箭不具备这种能力。而长征-5号和长征-7号的发动机已经具备了一定范围内的推力调节能力。但是这似乎并不能像“猎鹰-9”那样用来提高其可靠性。因为长征-5号运载火箭弹4个助推器的液氧和煤油储箱是独立的,一旦有一个助推器发生问题,即便其他发动机通过提高自身推力来弥补,但是这些燃料是无法共享的。

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