為什么中國的火箭采用全液態助推,而沒有固態助推的方案呢?
作者:化工綜合網發布時間:2022-02-20分類:膠粘劑瀏覽:160
其實中國現役的長征運載火箭家族基本清一色的液體火箭發動機也是有原因的,因為我國的民用航天運載火箭最早是從使用液體火箭發動機的東風4遠程彈道導彈衍生而來的,由于原型使用的是液體火箭發動機,所以我國第一枚運載火箭長征一號運載火箭使用的就是液體火箭發動機,說白了東風4彈道導彈將彈頭換成衛星等航天器就是長征一號運載火箭。
相比液體火箭發動機而言,固體火箭發動機最大的優勢就是結構簡單、推力可以做的很大,像航天飛機使用的SRB固體助推器單臺推力超過1000噸以上,就算是印度這樣的航天二梯隊國家都具備自行生產500噸級固體火箭助推器的實力。
至于我國現役運載火箭為什么繼續使用液體火箭助推器、不選擇固體火箭助推器也是有原因的,有人說是因為我國長期傾向于液體火箭發動機研制,使得固體火箭發動機研制進度緩慢,沒有合適的固體火箭發動機所以我們只能選擇液體火箭發動機,并且拿出證據證明當前我國在大推力固體火箭發動機研發上還停留在150噸級推力以下,所以新一代的長征5/7/8運載火箭只繼續使用液體火箭助推器。
2020年8月我國150噸級固體火箭發動機試車
其實這種說法并不完全正確。以我國現役的長征2F、長征3甲/乙/丙、長征四號老一代火箭家族來說,長征2F運載火箭的研制最早可以追溯到長征二號運載火箭基本型上,長征二號基本型運載火箭是我國利用長征一號成功發射東方紅一號衛星后,基于長征一號基礎上增加推力、增加運載力而來的大載荷運載火箭,為我國的返回式衛星的發射奠定了基礎。
為了擴展長征二號運載火箭的發射載荷,在長征二號基本型芯一級周圍捆綁了多臺使用和芯一級一樣液體火箭發動機的助推器,最終得到了運載力更大的長征2E運載火箭,而基于長征2E運載火箭基礎上按照載人航天發射需要,針對性加裝了逃逸塔、系統冗余度等方式提升其可靠性、安全性得到了現役的長征2F運載火箭,用于發射現役的神舟載人飛船。
到后面出現的長征3/4型運載火箭都是基于長征1/2型衍生而來的,使用相同的箭體直徑、相同的火箭發動機、只是火箭級數不一樣、起飛推力不一樣來滿足不同軌道、不同運力需求,這也就造成雖然我國長征運載火箭家族成員眾多,但是實際上不同型號之間的運載火箭使用的技術大部分都是相同的,那么上一代運載火箭使用液體火箭發動機,后面繼續沿用液體火箭發動機也就很正常了。
外加上早期我國在固體火箭發動機領域技術實力相比美俄有著較大差距,特別是上世紀60--90年代同時期發展的東風導彈家族依然延續的還是液體火箭發動機,90年代后東風導彈雖然開始換裝全固體火箭發動機,但是當時裝備的固體火箭發動機依然還存在推力小、比沖低、射程不是很遠的限制,使得同時期研發的長征2、3、4型運載火箭在助推器的選擇上依然只能選擇液體火箭助推器。
另外還有一個技術性原因就是長征2、3號系列運載火箭中的捆綁型號都是在基本型上擴展的,基本型就有推重比>1的直接起飛能力。如果要捆綁助推器,按照火箭技術要求新構型起飛推重比以及飛行過程中的加速度不能過大,那么相比液體火箭發動機比沖大、推力可以調節,更適合擴展型號需求而言,固體火箭發動機雖然推力大、但是推力不能調節、而且比沖也比較低,并不適合作為芯級推重比超過1以上的運載火箭作為助推器使用。所以長征2/3/4性運載火箭在助推器的選擇上,考慮到包括動力系統的通用性等原因在內,就采用和芯級相同的液體發動機設計。
至于新一代的長征5/6/7/8運載火箭為什么還沒有采用固體助推器依然是有原因的,長征五號從一開始就制定了通用化、系列化、組合化設計理念,并具備無毒、無污染、高可靠性設計要求。也就是說長征5/6/7/8使用液氧煤油火箭發動機的新一代運載火箭,相互之間都是存在各種聯系的,比如一級火箭都使用相同型號的液氧煤油火箭發動機、箭體直徑或者助推器直徑都保持在2.25米、3.35米和5米三個通用范圍內,通過使用不同的芯級直徑、不同直徑的助推器、芯級和助推器搭配數量不同的火箭發動機、級數不同得到使用5米芯一級、3.35米助推器的長征五號;使用3.35米芯級、2.25米助推器、助推器數量不同得到長征七號和長征八號;使用3.35米直徑芯一級、2、25米芯二三四級、搭配一臺液氧煤油環保型液體火箭發動機得到長征6號運載火箭。
關于長征五號為什么沒有采用固體助推器依然是有原因的,長征五號只有兩級版本的基本型和一級半結構的長征五B,為了提升兩個版本的低軌道運載力,其芯一級采用了比沖更高的氫氧火箭發動機,那么對于長征五號而言就不存在擴展型號推重比和加速度不能太大的原因限制了。但是對于長征五號而言,如果選擇固體火箭助推器,其一存在著新一代YF100液氧煤油發動機將無法用于長征五號火箭,只能給長征六、七號用了,在模塊化、通用化、可靠性等方面降分不少,更不利于降低火箭研發成本趨勢。
其二固體火箭發動機雖然推力大,但是比沖小,自重大,帶來的結果就是發射載荷比較小,長征五號芯一級裝備的兩臺YF77氫氧火箭發動機推力實在有點小,如果給長征五號捆綁固體助推器的話,就會造成火箭發射載荷率較小的限制,無法達到現有液體的25噸最大運載力。
其三固體火箭發動機還存在燃燒時間短、推力不均勻的缺點,特別是存在一個最大推力和平均推力巨大差別,對于長征五號而言,由于其芯一級裝備的氫氧火箭發動機雖然比沖高,但是推力偏小,如果助推器使用固體火箭發動機的話,由于固體火箭發動機存在燃燒時間太短的缺點,就會造成火箭飛行高度有限,受地球引力影響火箭會有掉下來的風險。
其四相比液體火箭發動機可以通過調節渦輪泵轉速來調節火箭發動機推力大小而言,固體火箭發動機推力大小調節很難,而且不具備二次啟動能力,對于長征五號這種二級半和長征5B一級半結構的運載火箭而言,在火箭飛行過程中,需要調節火箭推力大小來實現程序轉彎,特別是長征五號B因為只有一級半結構,火箭助推器的推力要更為精準控制來保證入軌精度,所以長征五號和固體火箭助推器基本無緣也是這個原因。
不同于長征2/3/4運載火箭芯級都具備直接起飛的能力,除了已經說過的長征五號和沒有助推器的長征六號基本型外,剩下的長征7/8兩款都捆綁了助推器的運載火箭中,長征七號和長征八號屬于雙胞胎兄弟,長征八號就是長征七號將助推器數量減少了兩個的版本。但是在長征七號一開始論證的時候,就是基于長征三號箭體結構上采用新一代液氧煤油火箭發動機而來的綠色火箭,也就是說長征七號延續了長征三號芯級具備直接起飛的能力,而基于長征七號芯一級、芯二級而來的長征六號也具備直接起飛能力、減少了兩枚助推器的長征八號依然具備直接起飛能力。
可能很多人會說長征七號為什么不選擇推力更大的固體助推器呢?畢竟像歐洲的阿麗亞娜5運載火箭捆綁的兩臺助推器推力可要比芯一級的火神液體火箭發動機大很多,因為長征七號一開始就有載人版本,按照載人運載火箭的各種技術要求來說的話,并不適合使用固體火箭助推器,這也是為什么全球載人版本的運載火箭除了航天飛機外基本都是全液體助推器的原因在于液體火箭發動機加速性更為線性平穩、航天員更為舒適一些,同時液體火箭發動機推力更大、火箭發動機數量更少、安全可靠性更高,所以長征七號也就使用了長征3號芯一級的箭體內換裝新型發動機、長征2號助推器的箭體內換裝新型發動機。
從以上種種原因就能看出為什么我國長征運載火箭家族基本看不到固體火箭發動機存在的原因。當然我國在固體火箭助推器的發展上也沒有放棄,預計2021年下半年首飛發射的長征6甲運載火箭就計劃捆綁兩臺固體助推器來提升其起飛推力、繼而提升其高軌道運載力,增強長征六號家族在小型衛星市場的競爭力。
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