大塊頭有大智慧——長征5號運載火箭的液氫液氧發動機

驚豔登場

長征5號是我國第一種芯級直徑達到5米的運載火箭,因胖嘟嘟的體態,被暱稱為“胖五”,它於2016年11月3日在中國文昌航天發射場首發成功,長56.97米,最大起飛重量879噸,起飛推力10524千牛,即1073噸,是長征1號火箭的10倍,為我國運載能力最強的火箭。

大塊頭有大智慧——長征5號運載火箭的液氫液氧發動機

長征5號火箭雄姿

長五通過減少級數來增加可靠性,由老長征火箭的三級減為兩級半(外加的助推器常用0.5級來標註),芯級採用了全新的高比衝液氫液氧發動機,極大增加了發射投送能力,地球同步軌道運載能力達到了14噸,目前世界上最重的通信衛星為我國的實踐二十號,重達8噸,就是由長征5號送入軌道的。經過天宮一號和天宮二號的充分驗證,我國下一代的空間站的將會以“天和一號”核心艙為中心進行艙段積木式拼接,真正走向實用化,“天和一號”是我國第一個空間站核心艙,全長約18.1米,最大直徑約4.2米,發射質量20-22噸,不加第二級的一級半構型長征五號B運載火箭近地軌道運力達30噸,就是專門為“天和一號”準備的。嫦娥三期的嫦娥5號探測器將進行採樣返回作業,也有賴於由長征5號加上面級構成的遠征二號來完成。

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天宮二號空間試驗室

基本結構

長征5號屬一次性大型低溫液體捆綁式運載火箭,芯一級採用5米直徑的2臺YF77模塊。YF77為全新研製的液氫液氧發動機,單臺海平面推力是50噸,芯一級推力雖然不大,但是其工作時間長達500秒,貢獻的衝量並不小。芯二級的直徑也是5米,同樣為液氧液氫發動機,裝兩臺YF-75D,單臺推力9噸。YF75D是由長征3號甲火箭第三級使用的YF-75發動機改進而來的。長征5號的4個助推器直徑3.35米,繼承了原長征火箭芯級已有的3.35米直徑技術,也就是說長征5號助推器的直徑與老長征火箭的芯級直徑相當,每個助推器裝兩臺YF-100發動機,共8臺,YF100為氧煤油發動機,採用了高壓補燃技術,發展自1990年我國從前蘇聯引進的RD-120液氧煤油發動機,YF100單臺海平面推力120噸,8臺就是960噸的推力!

全新發動機帶來的代際提升

長征5號最大的亮點是其新型液氫液氧芯一級發動機,舊長征系列火箭,使用的是用偏二甲肼作燃料,用四氧化二氮作氧化劑的組合式推進劑,這類推進劑被廣泛使用,特點是可在常溫下存儲,並且四氧化二氮和肼接觸後可以自燃,不需要專門的點火裝置,可靠性高。缺點是毒性大,比衝低,比衝是衡量火箭燃燒效率的指標。可以理解為消耗1千克的燃料產生1千克推力所能維持的時間,比衝值越高,消耗同樣的燃料,產生的衝量越大(即火箭能獲得更高的加速度),液氧煤油發動機雖然無毒,但比衝也不高,不適合作為芯級發動機,更適合用於助推器。

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巨大的液氫液氧發動機

液氫液氧組合是唯一比衝超過400秒的推進劑(YF77的工作時長達500秒),它們燃燒的產物是水,無毒無汙染,但液氫液氧發動機也有很大的缺點,表現在以下3個方面:

1. 液氫液氧發動機體積龐大。液氫的密度是非常小,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。液氫的密度不及偏二甲肼的十分之一,使得YF77發動機非常龐大。

而且由於空間和重量的限制,火箭中的燃料罐基本都沒有主動冷卻的,只有儘量保溫。但由於液氫液氧發動機體積龐大,通常火箭中液氫罐的保溫罐體本身往往可以佔到滿罐總質量的10%以上,而別的燃料罐這個值都是百分之幾而已。

2. 液氫和液氧必須隔開存儲。液氫的沸點是-252攝氏度,先不說自身的儲存問題,這個溫度首先就使液氫對和它一起裝在火箭裡的氧化劑非常的“不友好”,比如液氧的冰點是-219度,也就是說氫是液態的時候,氧已經變成了固態,這就決定了存放二者的罐子是不但不能連在一起,而且必須完全分離開,中間留空,不然液氫就把隔壁的液氧給凍住了,這進一步增大了體積。

3.就像上面說的,液氫的沸點只有-252攝氏度,對存儲和使用要求苛刻,別外氫分子量小,也使其極易洩露。

總之,高比衝且無毒無汙染的液氫液氧發動機是未來的登月和行星探測的不二之選,YF77發動機雖然性能一般,但它使我國邁出了探索深空的第一步,相比較吸氣式發動機的全面落後,我國在一次性的火箭發動機方面還算比較爭氣的。

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長征火箭家族成員

模塊化帶來的全面進步

長征5號在設計階段就貫徹了通用化、模塊化的思想,制定了用“三個通用模塊”涵蓋輕、中、大三種火箭的方案,三個模塊分別是指使用液氧/液氫的5米直徑模塊,使用液氧/煤油的3.35米直徑模塊和2.25米直徑模塊,它們可以按照發射任務的不同自由組合。2009年,作為長征五號系列中的衍生型號,“長征六號”率先發射成功,驗證了長五助推發動機FY100的可靠性。為後續的長五發射打下了堅實的基礎。

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長征6號火箭

繼往開來,奔向星辰大海

長征5號具有里程碑的意義,它在長征系列火箭家族中起到了承上啟下的作用,未來我國的登月及行星探測,將由直徑達10米、高度達93米的重型火箭長征9號來完成,且芯一級可整體垂直回收的可重複使用火箭長征8號計劃於2021年首飛,長征5號也承擔著長9和長8的關鍵技術驗證任務,相信長征家族一定能圓中華民族由來已久的飛天夢!


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