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“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

科普小知识2022-07-30 19:07:14
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运载火箭是一项非常复杂的系统工程。科学研究人员在他们的发展和发射阶段“行走在薄冰上,面对深渊”。然而,即使如此,要完美地解决所有的小问题仍然是困难的。自从人类进入太空以来,在许多国家都出现了火箭发射错误的情况,尤其是重型运载火箭。

7月2日,备受关注的“肥胖五人组”未能推出。对此,习惯于中国航天发射高成功率的网民表现出足够的理解和宽容。热情的小朋友也分析了失败的原因。许多人把罐子留给“胖五”的“心脏”(即引擎)。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

《肥胖五人组》发布(图片来源:路透社)

作为长征火箭家族中最强有力的骑师,“胖五”的“心”真的有问题吗?当然,这只是目前的猜测,没有足够的证据。然而,由于火箭的“心脏”通常在太空发展中起着重要作用,在正式宣布调查结果之前,我们不妨了解一下我们的“胖五”和其他人的“孩子”的身体状况。

回顾过去,我们的“心脏”技术是什么水平?

我们知道飞机通常只在大气层中飞行,火箭的运动范围超越大气层。因此,飞机只需要燃料就可以进行“边走边谈”的旅行,而火箭也携带氧化剂。根据推进剂的不同(包括燃料和氧化剂),普通火箭发动机一般可分为固体火箭发动机和液体火箭发动机。与固体发动机相比,液体发动机的结构非常复杂,发射前的准备工作也很复杂。然而,液体发动机由于其工作时间长、比冲大、推力容易控制和可重复启动等优点,被世界各地的运载火箭广泛使用,中国也不例外。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

液体火箭发动机燃烧过程示意图(图片来源:中国航天新闻)

中国于1956年开始研制现代火箭,其中运载火箭起源于20世纪60年代研制的“长征一号”。当时,为了节省研究经费,缩短研制周期,使“东方红一号”卫星能够尽快在太空中游弋,人们决定以“东风四号”导弹的第一、第二和控制系统为蓝本,增加第三个固体水平,研制“常一号”。四个YF-1液体发动机安装在嫦娥一号的第一阶段,使用偏二甲肼作为燃料和硝酸作为氧化剂,每个地面推力为255千牛顿。第二级YF-3液体发动机由YF-1改进而来,使用相同的推进剂,地面推力为290千牛顿。1970年4月24日,常毅将东方红一号卫星送入预定轨道,为中国的运载火箭奠定了基础。这个世界通常只看到“漫长”的光明和成功的一面。然而,贫穷的初学者总是要支付学费。在“东风四号”开发的六年半时间里,四次发射中有一半没有成功。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

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“长征一号”为中国的运载火箭奠定了基础(图片来源:腾讯)

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

YF 1号发动机(照片来源:www.b14643.de)

从那以后,我国在“长1”的基础上成功地研制了“长2”。它分为两个阶段,以偏二甲肼为燃料,四氧化二氮为氧化剂。在第一阶段,安装了4台YF-20发动机,总推力为2940千牛,而在第二阶段,使用了推力分别为735千牛和46千牛的大型和小型发动机。在此基础上,中国成功研制了捆绑式火箭的“长两个捆绑式”、“长两个F”和“长两个F改型”。后两者可以称为明星级劳动模范。从“神舟一号”到“神舟XI号”飞船,他们都煞费苦心地把它们送上了天堂。后来,三级火箭“嫦娥三号”和“嫦娥四号”与“嫦娥二号”是同一个系列研制的。由于发动机技术相对成熟,他们的发射成功率一直是世界上最高的。

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长2f(网络图)

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

YF-20发动机(照片来源:www.astronautix.com)

儿子,长征火箭家族取得了巨大的发展,从串联到捆绑,从一颗卫星到多颗卫星,从发射卫星到发射载人飞船。虽然与美国、俄罗斯等其他航天大国相比还有很大差距,但作为后发国家,我们已经成功建立了一个相对完整的运载火箭系统,成本远低于美国。在此期间,尽管火箭发动机技术有所改进,但它一直在使用类似的技术。细心的小伙伴们一定注意到,从“长1”到“长4”,所用的燃料是UDMH,而氧化剂是硝酸和四氧化二氮。这些物质被称为常规推进剂,具有自燃的优点,可以方便地在地面和空中长时间储存。

然而,既然它被说成是“常规的”,就一定有不尽人意的地方。常规推进剂腐蚀性很强。一旦火箭错过发射窗口,它将不得不更换火箭体。此外,常规推进剂伴随着毒性。1990年,在“长两捆”抢修中,发生了一起令人痛苦的四氧化二氮泄漏事故,导致10多名科研人员中毒伤亡。当然,除了腐蚀性和毒性,常规推进剂最致命的弱点是它们的小比冲和低运载能力,这使得我们很难从近地空间转移到深空。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

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由于常规推进剂的毒性,工作人员在检查火箭装填设备时必须全副武装(图片来源:新华社)

时代呼唤新一代高性能火箭,所以我们的“胖五”正在舞台上展示它的“大心脏”。

朋友——“胖五”的“心”是什么样的?

“长征五号”有许多绰号,除了“胖五”,它也被称为“冰箭”。“胖”表示它的身材,“冰”表示它的“心脏”。

“脂肪五”使用低温发动机,即使用低温推进剂的液体火箭发动机。所谓低温是指在大气压下,推进剂必须低于环境温度才能保持液态,因为推进剂的沸点低于环境温度。液氧是世界上使用最广泛的液体火箭发动机氧化剂,因为它价格低廉,来源广泛。用于“肥五”的核心阶段和助推器(温度达到-183℃)。然而,在燃料方面,“胖五”核心使用液态氢(温度达到-252℃),助推器使用煤油。总的来说,低温推进剂不仅无毒无污染,而且比冲也有了很大提高。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

燃烧器和氧化剂比冲量表(照片来源:中国航天科技集团公司,官方网站)

从上图可以看出,氢氧结合是性能最高的化学推进剂,由于其良好的燃烧稳定性,是液体火箭的最佳选择之一。然而,因为氢的密度很低,所以必须把贮存罐做得更大,“五长”就变成了“五肥”。一般来说,氢氧发动机适用于火箭的第二级和高级。我们的“胖五”不仅在核心的第二级使用两台YF-75D氢氧发动机,而且在核心的第一级使用两台YF-77氢氧发动机。YF-75D发动机是“长三”YF-75发动机的改进,地面推力约为90 kN。YF-77是中国第一台大推力氢氧发动机,地面推力约为500千牛。它在发动机设计、生产和测试技术方面进行了大量创新。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

YF-77引擎(图片来源见水印)

然而,大“胖五”的起飞重量接近900吨,所以仅仅依靠核心发动机有点太大了。事实上,“胖五”起飞的主要动力不是来自核心阶段,而是来自助推器。《胖五》的核心舞台上有四个助推器。每个助推器都配有两台YF-100液氧和煤油发动机。每台发动机的地面推力为1200千牛顿,比长征系列火箭以前使用的发动机高出60%以上。这无疑是一个巨大的飞跃。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

YF-100发动机(照片来源:Sina.com)

然而,性能的显著提高通常表明发动机需要在更恶劣的条件下工作。例如,发动机启动后不到一秒钟,涡轮泵需要从静止加速到每秒数万转,温度瞬间从室温上升到数千度。这就对发动机的设计、材料和工艺提出了严格的要求。事实上,“胖五”发动机在研发阶段的试车过程中出现了许多故障。与其他国家的类似火箭相比,去年首次亮相非常困难。

知道你是谁-其他人的“孩子”怎么样?

从纵向来看,“胖五”的诞生无疑是中国航天事业发展的一大进步。如果你从横向来看,它与其他家庭的传奇“孩子”相比处于什么水平?

美国、俄罗斯和其他国家早就对液体火箭发动机进行了研究。早在20世纪20年代,美国科学家罗伯特·戈达德就发明了世界上第一台液体火箭发动机,使用汽油和液氧作为推进剂。第二次世界大战后,美国和苏联相互竞争,开发了各种类型的常规推进剂火箭。自20世纪70年代以来,两国相继推出了高性能、高推力的液体火箭发动机。苏联主要使用液氧和煤油发动机,而美国使用液氧和液氢发动机。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

戈达德和第一枚液体火箭(照片来源:www.nasa.gov)

我们不妨看看德尔塔4,它和“胖子五号”属于同一个重型火箭。正如“胖五”在中国运载火箭中的位置一样,“德尔塔四”重型火箭也是美国最强的,起飞重量为733吨。它还有一个特殊的地位:世界上唯一的全氢氧发动机火箭,也就是说,它的核心一级、核心二级和助推器都使用氢氧推进剂。核心级只安装了一台RS-68A发动机,但推力可达3140千牛,远远高于“胖五”所用的推力。围绕核心级1的两个助推器也分别装有一台RS-68A发动机,而核心级2装有一台推力为110千牛顿的RLB-2发动机。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

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美国“德尔塔四号”火箭(照片来源:*)

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

RS-68A发动机正在试车(照片来源:www.rocket.com)

不难看出,即使是我们最先进的“胖五”,在发动机技术方面也仍然落后于美国、俄罗斯和其他国家。为了弥补单个发动机推力不足的问题,我们必须将10个发动机与核心级1的助推器并联。因此,任何不仔细考虑的小细节都可能导致失败。但是,必须指出的是,尽管技术积累薄弱,开发时间短,开发成本很低,但我们仍然采用了几十种新材料和100多项新技术,解决了“胖五”发动机冷却、高速旋转机械动力学、燃烧不稳定等诸多难题,大大提高了中国运载火箭的实力,成功走出了一条符合国情的太空发展道路。

随着中国航天技术的升级,技术难度越来越大。我们偶尔亏损是很正常的。在上个世纪,在我们获得世界闻名的长征系列火箭之前,我们也经历了许多失败。"成功是近乎失败,失败是近乎成功."我们有理由相信,勤奋的宇航员将会找到“肥胖五人组”失败的症结所在,并解决每一个问题。我们的旅程仍然是星星的海洋。

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

“胖五”的“心脏”真的有问题吗?

我们的旅程仍然是星海。

参考:

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郑大勇、王卫斌、乔桂玉。为新一代运载火箭开发50吨氢氧发动机,[J]。导弹和空间发射技术,2016,(5): 115,22。

姜建科。新一代大推力发动机成功点火,中国火箭获得新动力[·J]。中国航天,2012,(12): 112。

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[11]http://news.ifeng.com/a/20170702/51359312_0.shtml.

[12]http://www . space China . com/n25/n148/n272/n 4791/c 131605/content . html。