中国航天再次迎来大喜的日子,2016年8月22日(2天前),天津,“长征五号”新一代火箭离开天津航天长征火箭制造有限公司,运抵天津港汇盛码头,即将出征海南文昌发射基地执行首飞任务。
据了解,运输船队将在随后几天,完成“长征五号”火箭产品吊装、运输保障、测量设备等40件集装箱的吊装上船。
说起来有件趣事,去年当长征6号火箭发射成功后,欢呼声还没有落地,长征5号下午就立即从天津港启程前往海南文昌发射基地,看上去有点巧合,其实这里也有中国航天的难言之隐。假设长征六号发射失败,长征五号就绝对不会动身,为的都是一件事,就是看长征六号的的技术核心YF100高压补燃煤油液氧大发动机是不是成功了,当YF100高压补燃煤油液氧大发动机圆满的将长征六号送上太空后,几十万航天人暗暗松了口气,这个秘辛只有航天人自己知道,许多国人其实并不了解。本文就是要揭开这个秘辛,告诉你一个秘密。
说中国航天落后,立马会遭致爱国朋友的猛烈抨击,神舟都载人上天了,还能说落后?怎么也是世界第三吧?世界上能搞载人航天的除了美国、俄罗斯、中国,还有谁?
但是一说到火箭发动机许多人就会感觉出落后了,美国40年前就搞出了单台推力600吨的液体火箭发动机,俄罗斯后来还开发出世界上推力最大的RD-170液体火箭发动机,RD-170火箭发动机是人类有史以来研制的推力最大的多燃烧室液体火箭发动机。这款拥有4个燃烧室,1台涡轮泵和2个预燃室的发动机的海平面最大推力为740吨。很多人想要比较土星5号火箭的F-1火箭发动机。只能说F-1是世界上推力最强的单燃烧室发动机,而RD-170则是世界上推力最强的多燃烧室发动机。它们的主要性能的对比情况如下:
F-1发动机直径3.65米,高5.6米,重达8.45吨;采用燃气发生器开放式循环,液-液直接燃烧。涡轮泵功率46225千瓦,工作时每秒泵入838.2公斤的煤油和1784.7公斤的液氧。土星五号火箭安装5台F-1发动机,每秒输送推进剂流量12710升,可以在8.9秒内清空一个容量110000升的游泳池。
从1961年至1967年,F-1火箭发动机共进行了239124秒单台试车,16043秒并联试车。粗略估算,仅是单台试车,就烧掉了20万吨煤油,42.68万吨液氧!由此可见美苏军备竞赛所消耗的巨量资源。1967年,苏联格鲁什科设计局(OBK-456)研制的RD-270火箭发动机,采用全流量分级闭循环结构,比美国F-1发动机更为先进,海平面推力达140万磅(635吨),比冲322秒,推重比达到惊人的127。但由于燃烧稳定性问题长期无法解决,最终被苏联N-1登月火箭放弃。1987年苏联研制成功800吨级推力的RD-170火箭发动机。共有148台RD-170发动机进行了473次点火测试,总共点火测试51845秒。
时光荏苒,白云苍狗,风云变幻,冷战高峰时美苏在航天领域超剧烈的争夺,曾几何时几乎天天是世界各地的头条新闻,但是随着冷战的结束,航天飞机的两次爆炸和苏联的消失,这样的爆炸性新闻已经离开人们远去。多少年过去,据传美国已经不会造那样骇人听闻的发动机了,特别是世界上最新型的液体火箭用的高压补燃煤油液氧大发动机居然研制不出来了,这也是奇闻一件。
不过,随着中国综合国力的提高,中国在高压补燃煤油液氧大发动机技术上取得了突破。比较讽刺的是,世界上最先进的航空发动机以推力大省油的大涡扇发动机为标准,西方目前掌握的比较好。但是世界上最先进的航天发动机高压补燃煤油液氧大发动机技术却只掌握在俄罗斯和中国的手里。
而长征六号和长征五号运载火箭用的就是这种先进的发动机,区别就是长征六号用的一台,长征五号需要用六台以上。如果说长征六号是给长征五号做实战试验的也不为过,长征六号要是失败了,长征五号必然会无限期推迟,那么整个中国的航天计划就都要推迟,这台YF100高压补燃煤油液氧大发动机的巨大作用在这里就体现出来了。
假如YF100高压补燃煤油液氧大发动机经过实战使用被证明是成熟可用的,下一步中国就会制造更大的660吨的高压补燃煤油液氧大发动机,到了那时候,别说载人登月,就是载人登火都不在话下,由此可见长六和长五成功的重要性,也就是YF100高压补燃煤油液氧大发动机的重要性。
如果我们注意,发射神舟的长征2F和很多系列的火箭,都是有四片不大不小的翼,而长征6号的第一级到第三极光秃秃的,乍一看还真有点“难看”,其实这恰恰是长征6号的先进之处。技术关键就是长征6号的发动机,就是前面说的高压补燃煤油液氧大发动机在计算机的控制下是有感知的摇摆的,而且是世界上目前最先进的泵后摇摆,技术实现难度非常大,但是正是因为这个泵后摇摆,使火箭的俯仰,改变航向以及纵轴的稳定性依靠发动机的摇摆喷射就实现了,因此也取消了为稳定而设置的翼面,少四面翼就省四面翼的重量,等于增加了有效载荷。(有点像航空发动机的数字化电传控制矢量喷管)
关键就是这个泵后摇摆。
高压补燃煤油液氧大发动机是目前世界上最先进的液体火箭发动机,前面说过美国都干不了。
高压补燃煤油液氧大发动机先进之处主要是由于先进的燃烧理论,同样重量的推进剂可以提高14%的推力,这对太空火箭发动机来说就算逆天了,送上太空一克有效载荷是一克金子的几百倍,可见增加这14%的巨大价值。不知道什么原因,美国和欧洲都没有搞出来,比如美国干脆买俄罗斯的这型发动机,一买就是180台。前一段美俄为克里米亚剑拔弩张,俄罗斯就说不卖发动机给美国了,让美国用蹦床把宇航员送上国际空间站。
资料图:中国长征-5运载火箭
长征6号的高压补燃煤油液氧大发动机具体怎么先进就不多说了,朋友们可以看看《大国重器》,有一集专门介绍这款发动机,非常震撼!
高压补燃煤油液氧大发动机的首飞成功,将极大的增强中国的火箭发动机水平,高压补燃煤油液氧大发动机的理论经过验证,将促使中国信心百倍的研发更大推力的高性能的高压补燃煤油液氧大发动机,最后将现在YF100的推力120吨提高到YFXXX的660吨,比如长征9号火箭,用5台660吨的高压补燃煤油液氧大发动机就可以将比美国发射阿波罗还要重还要大的有效载荷送进太空,这样的大火箭起飞重量将超过世界大部分护卫舰的重量。
图 红圈处是660吨国产高压补燃煤油液氧大发动机
图 国产护卫舰3000吨排水量,等于长征九号火箭的重量
最后,高压补燃煤油液氧大发动机还是无毒无污染的,这也是高压补燃煤油液氧大发动机一大优势。
让我们期待着年底长征五号的成功,这将是中国走向星辰大海的关键一步!
而这一切要从YF100高压补燃煤油液氧大发动机开始。