长征五号发射成功有多重要?用“一发定全局”毫不为过石豪


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导读

在这次关乎中国航天命运的发射圆满成功后,一切都可以按计划进行,没有比这更令人幸福的了。未来的道路注定不会平坦,但是,不管还要再承受多少困难,今天我们可以大声说出这句话——我们的征途是星辰大海!

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北京时间2019年12月27日20时45分10秒526毫秒,长征五号遥三运载火箭自中国文昌航天发射场点火升空,将实践二十号卫星准确送入预定轨道。
自2017年7月2日发射失利后,经历了908天的等待,长征五号再战苍穹,终于取得圆满成功。
这是中国新一代运载火箭的“翻身仗”。
昨夜文昌,多少人欢呼雀跃,多少人热泪盈眶。

长征五号遥三运载火箭发射 | 图片来源:@人民日报


一发定全局

长征五号遥三的成功发射有多重要?
用“一发定全局”来概括一点也不为过。
如果说现役的长征二号系列、长征三号系列和长征四号系列都有一个共同的源头——东风五号洲际导弹的话,那么长征五号自己就是中国新一代运载火箭的源头。
5米直径芯级模块、3.35米直径芯级/助推器模块、2.25米模块,长征五号不是单独一枚火箭,而是一个完整的系列,一个覆盖近地轨道25吨级运力、地球同步转移轨道14吨级运力的运载火箭型谱。 

模块化的长征五号 | 图片来源 [1]

与现役长征火箭相比,长征五号的运载能力实现质的飞跃,与其他航天大国的现役火箭相比,长征五号的运载能力也是出类拔萃的。因此,许多新一代航天器只能通过长征五号系列进行发射,如本次发射中实践二十号卫星这样采用东方红五号大平台的通信卫星,又如未来的空间站舱段。

长征五号与国外现役运载火箭对比 | 图片来源 [2]


因此,如果长征五号出现问题,就意味着大容量通信卫星不能上天,嫦娥五号和火星探测器无法发射,我国的近地轨道空间站更是无法建设,所有基于长征五号的任务都要推迟。
牵一发,而动全身。
一发定成败
航天是一项以成败论英雄的事业。
从《中国航天报》的报道中,我们依然能体会到失利的那段日子里航天人的心境 [3]:
2017年7月2日,长征五号遥二火箭发射失利,问题定位在火箭芯一级的一台YF-77发动机上。
这是中国研制过推力最大的液氧液氢发动机,也是中国航天人第一次在运载火箭的一级上采用液氧液氢发动机。因为技术跨度大,YF-77的研制甚至比长征五号火箭还早了4年。
到2017年10月2日,YF-77发动机故障定位完成;2018年4月改进完毕。
但2018年10月30日,就在昨天发射的长五遥三火箭即将出厂前,同批次YF-77试车再次出现故障。
经过改进,连续两次试车成功,长五遥三火箭推迟到2019年年中发射。
然而,2019年4月4日,在对长五遥四火箭的发动机测试中,发现YF-77发动机的氧涡轮泵出现细小裂纹。对以往通过试车考核的发动机采用新技术手段检测,发现在同一位置,多台发动机都产生了微小裂纹。
到此时,YF-77发动机、长征五号运载火箭,似乎已陷入绝境。
遥二火箭的失利,加上遥三火箭的多次推迟,航天爱好者群体炸了锅,“长征五号”与“中国(国营)航天”就成为了有罪的代名词,各种声音不绝于耳。
有声音要求长征五号立即下马;有声音要求扶正与SpaceX公司重型猎鹰火箭类似的某预研型号;甚至有声音要求国家解散中国“官办”航天队伍,全面转向私营航天,打造中国版SpaceX。
在你失败的时候,呼吸都是错的。
长征五号的研制过程为什么会出现波折反复呢?
如果要笔者只给出一个原因,那必然是——
钱。
许多人都知道,中国航天取得了辉煌的成就。
但不是所有人都知道,中国航天的开支与航天超级大国相比,少得可怜。
而航天活动的前期投入要求之高,更不会有太多人了解。
为避免枯燥,笔者不去统计历年美国/苏联在航天领域的投入,仅举一例即可管中窥豹。

美国土星五号运载火箭第一级 | 图片来源:NASA
土星五号是人类有史以来投入使用的最强运载火箭,其170千米近地轨道运载能力高达140吨。没有土星五号,就没有阿波罗登月,也没有阿姆斯特朗的“人类一大步”。

土星五号的一级配备了5台巨型的F-1液氧煤油发动机,总推力高达35000千牛,燃料(煤油)和氧化剂(液氧)必须通过一个喷注器注入发动机的燃烧室。

说是喷注器,其实应该叫“喷注盘”,看看它长什么样就知道了:

F-1发动机的喷注盘 | 图片来源 [4]

是不是很像蒸锅里的篦子啊:

蒸锅的锅篦子 | 图片来源:百度图片
这个喷注盘上面密密麻麻开的小孔,就是煤油和液氧注入的地方。由于发动机太过巨大,所以容易出现煤油和液氧混合不均匀,进而导致燃烧不均匀的危险情况。因此喷注盘上喷煤油和液氧的小孔应该怎么排布,就成为F-1发动机研制过程中必须解决的问题。
通俗点说,就是锅篦子上那些眼应该怎么扎。
为了让F-1发动机稳定燃烧,为了扎好这个锅篦子,您猜研制团队总共试验了多少次?
2000次!
并且,当年的流体力学模拟软件不成熟,为了搞清楚燃烧室中的流体状态到底是怎么样的,美国人甚至在燃烧室里面放炸药,通过制造可控的小爆炸,观察火焰的变化情况,反推内部的流体状态 [5]。
至于F-1发动机有多“费油”,它一秒钟要消耗将近2.6吨的燃料加氧化剂,然后它要工作至少150秒。
这烧的不是煤油,是美元。
并且,F-1发动机的研制从20世纪50年代中期启动,直到20世纪70年代阿波罗飞船上天以后才告结束。
其中花了多少钱呢?解决了多少难题呢?
科技水平极高的美国,在一型发动机的研制中,尚且面临如此巨大的困难。
建国前科技基础约等于零的中国,长期处于低成本运行的中国航天,在开发新一代火箭时面临的困难,我们是不难体会的。
然而,直面困难的中国航天,依然在2019年12月27日的晚上,交出了自己的答卷。

一发定未来

长征五号遥三火箭的答卷有多漂亮呢?
根据西安卫星测控中心给出的卫星初轨根数,长征五号将实践二十号卫星送入了近地点192.8千米、远地点68016.8千米、轨道半长轴40478.1千米的超同步转移轨道。根据任务设计,卫星初轨的理论值为近地点200千米、远地点68000千米、轨道半长轴40482.9千米。
半长轴允许偏差为±350千米,实际偏差仅4.8千米。
正中靶心。
浴火重生的YF-77发动机经受住了实战考验,表现完美。
908天后,笑容终于出现在了火箭和卫星研制人员的脸上。

火箭与卫星型号两总合影 | 图片来源:网友拍摄
长五遥三的成功,意味着许多。

在马上到来的2020年,中国的首次大型火星探测终于可以如期进行,探测器组合体将搭乘长征五号遥四火箭奔向红色星球。

即将发射的中国火星探测器 | 图片来源:中国空间技术研究院

在马上到来的2020年,中国的新一代载人飞船终于可以进行首次试飞,担负发射任务的长征五号乙运载火箭还将承担中国大型空间站的发射任务。

新一代载人飞船缓冲气囊试验 | 图片来源:中国空间技术研究院

在这次关乎中国航天命运的发射圆满成功后,一切都可以按计划进行,没有比这更令人幸福的了。

未来的道路注定不会平坦,但是,不管还要再承受多少困难,今天我们可以大声说出这句话——

我们的征途是星辰大海!

发射成功后的飞控大厅 | 图片来源:网友拍摄


扩展阅读:

20年后再回首——从零开始的中国载人航天 | 石豪
祸不单行的波音公司,深陷噩梦的美国飞船 | 石豪


参考资料:

[1]. 李东, 王珏, 何巍, 等. 长征五号运载火箭总体方案及关键技术[J]. 导弹与航天运载技术, 2017 (3): 1-5.

[2]. 袁岚峰 . 从长征五号复飞看世界航天格局: 袁岚峰[EB/OL]. 风云之声微信公众平台, [2019-12-27]. 

[3]. 中国航天报 . 长五,这两年你经历了什么?[EB/OL]. 中国航天报微信公众平台, [2019-12-27]. 

[4]. RECORD H A E. Marshall Space Flight Center, F-1 Engine Static Test Stand, On Route 565 between Huntsville and Decatur, Huntsville, Madison County, AL[EB/OL]. Marshall Space Flight Center, F-1 Engine Static Test Stand, On Route 565 between Huntsville and Decatur, Huntsville, Madison County, AL, [2019-12-27]. http://www.loc.gov/pictures/collection/hh/item/al1331/.

[5]. Oefelein J C, Yang V. Comprehensive review of liquid-propellant combustion instabilities in F-1 engines[J]. Journal of Propulsion and Power, 1993, 9(5): 657-677.

背景简介本文2019年12月28日发表于观察者网,作者是科研工作者、航空航天观察者石豪(石豪:长征五号发射成功有多重要),风云之声获授权转载。

责任编辑陈昕悦

文章转载自微信公众号:风云之声

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