大块头有大智慧——长征5号运载火箭的液氢液氧发动机

惊艳登场

长征5号是我国第一种芯级直径达到5米的运载火箭,因胖嘟嘟的体态,被昵称为“胖五”,它于2016年11月3日在中国文昌航天发射场首发成功,长56.97米,最大起飞重量879吨,起飞推力10524千牛,即1073吨,是长征1号火箭的10倍,为我国运载能力最强的火箭。

大块头有大智慧——长征5号运载火箭的液氢液氧发动机

长征5号火箭雄姿

长五通过减少级数来增加可靠性,由老长征火箭的三级减为两级半(外加的助推器常用0.5级来标注),芯级采用了全新的高比冲液氢液氧发动机,极大增加了发射投送能力,地球同步轨道运载能力达到了14吨,目前世界上最重的通信卫星为我国的实践二十号,重达8吨,就是由长征5号送入轨道的。经过天宫一号和天宫二号的充分验证,我国下一代的空间站的将会以“天和一号”核心舱为中心进行舱段积木式拼接,真正走向实用化,“天和一号”是我国第一个空间站核心舱,全长约18.1米,最大直径约4.2米,发射质量20-22吨,不加第二级的一级半构型长征五号B运载火箭近地轨道运力达30吨,就是专门为“天和一号”准备的。嫦娥三期的嫦娥5号探测器将进行采样返回作业,也有赖于由长征5号加上面级构成的远征二号来完成。

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天宫二号空间试验室

基本结构

长征5号属一次性大型低温液体捆绑式运载火箭,芯一级采用5米直径的2台YF77模块。YF77为全新研制的液氢液氧发动机,单台海平面推力是50吨,芯一级推力虽然不大,但是其工作时间长达500秒,贡献的冲量并不小。芯二级的直径也是5米,同样为液氧液氢发动机,装两台YF-75D,单台推力9吨。YF75D是由长征3号甲火箭第三级使用的YF-75发动机改进而来的。长征5号的4个助推器直径3.35米,继承了原长征火箭芯级已有的3.35米直径技术,也就是说长征5号助推器的直径与老长征火箭的芯级直径相当,每个助推器装两台YF-100发动机,共8台,YF100为氧煤油发动机,采用了高压补燃技术,发展自1990年我国从前苏联引进的RD-120液氧煤油发动机,YF100单台海平面推力120吨,8台就是960吨的推力!

全新发动机带来的代际提升

长征5号最大的亮点是其新型液氢液氧芯一级发动机,旧长征系列火箭,使用的是用偏二甲肼作燃料,用四氧化二氮作氧化剂的组合式推进剂,这类推进剂被广泛使用,特点是可在常温下存储,并且四氧化二氮和肼接触后可以自燃,不需要专门的点火装置,可靠性高。缺点是毒性大,比冲低,比冲是衡量火箭燃烧效率的指标。可以理解为消耗1千克的燃料产生1千克推力所能维持的时间,比冲值越高,消耗同样的燃料,产生的冲量越大(即火箭能获得更高的加速度),液氧煤油发动机虽然无毒,但比冲也不高,不适合作为芯级发动机,更适合用于助推器。

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巨大的液氢液氧发动机

液氢液氧组合是唯一比冲超过400秒的推进剂(YF77的工作时长达500秒),它们燃烧的产物是水,无毒无污染,但液氢液氧发动机也有很大的缺点,表现在以下3个方面:

1. 液氢液氧发动机体积庞大。液氢的密度是非常小,只有70 kg/m^3,相比之下煤油是820 kg/m^3,偏二甲肼是786 kg/m^3。液氢的密度不及偏二甲肼的十分之一,使得YF77发动机非常庞大。

而且由于空间和重量的限制,火箭中的燃料罐基本都没有主动冷却的,只有尽量保温。但由于液氢液氧发动机体积庞大,通常火箭中液氢罐的保温罐体本身往往可以占到满罐总质量的10%以上,而别的燃料罐这个值都是百分之几而已。

2. 液氢和液氧必须隔开存储。液氢的沸点是-252摄氏度,先不说自身的储存问题,这个温度首先就使液氢对和它一起装在火箭里的氧化剂非常的“不友好”,比如液氧的冰点是-219度,也就是说氢是液态的时候,氧已经变成了固态,这就决定了存放二者的罐子是不但不能连在一起,而且必须完全分离开,中间留空,不然液氢就把隔壁的液氧给冻住了,这进一步增大了体积。

3.就像上面说的,液氢的沸点只有-252摄氏度,对存储和使用要求苛刻,别外氢分子量小,也使其极易泄露。

总之,高比冲且无毒无污染的液氢液氧发动机是未来的登月和行星探测的不二之选,YF77发动机虽然性能一般,但它使我国迈出了探索深空的第一步,相比较吸气式发动机的全面落后,我国在一次性的火箭发动机方面还算比较争气的。

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长征火箭家族成员

模块化带来的全面进步

长征5号在设计阶段就贯彻了通用化、模块化的思想,制定了用“三个通用模块”涵盖轻、中、大三种火箭的方案,三个模块分别是指使用液氧/液氢的5米直径模块,使用液氧/煤油的3.35米直径模块和2.25米直径模块,它们可以按照发射任务的不同自由组合。2009年,作为长征五号系列中的衍生型号,“长征六号”率先发射成功,验证了长五助推发动机FY100的可靠性。为后续的长五发射打下了坚实的基础。

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长征6号火箭

继往开来,奔向星辰大海

长征5号具有里程碑的意义,它在长征系列火箭家族中起到了承上启下的作用,未来我国的登月及行星探测,将由直径达10米、高度达93米的重型火箭长征9号来完成,且芯一级可整体垂直回收的可重复使用火箭长征8号计划于2021年首飞,长征5号也承担着长9和长8的关键技术验证任务,相信长征家族一定能圆中华民族由来已久的飞天梦!


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