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长征五号是矢量发动机吗(长征八号垂直回收的前提)

时间:2023-06-02 作者: 小编 阅读量: 1 栏目名: 范文大全

很显然,首飞的长征八号就是把“长征七号”运载火箭的二级换成一个“长征三号甲”的氢氧三级,再去掉两个助推器所形成的产物,而这个构型其实就是当年长征七号立项时设计的长征七号722方案。所以对于长征八号而言直接移植长征七号的硬件配置,既能大幅降低研发成本,而且借助长征七号作为未来我国航天主力型运载火箭的优势,长征八号的发射成本更为低廉,发射的便捷性也更为方便的多。

2020年12月22日我国自主研制的新一代中型运载火箭——长征八号在海南文昌航天发射中心顺利首飞,长征八号作为我国专为中高轨道航天器发射而研发的新一代中型运载火箭,首飞既以“一箭五星”的方式,成功将一颗主星和四颗小卫星送入预定轨道,自此我国运载火箭家族又多了一名新成员。

在长征八号身上有很多亮点存在,除了长征八号是直接基于长征七号运载火箭基础上衍生而来的以外,同时长征八号还将是我国首次以国家队身份自主研制的第一款具备垂直回收、重复使用的低成本运载火箭,未来长征八号除了更多的替代服役多年、且运载力已经不能满足未来航天发射需求的长征四号系列运载火箭承担太阳同步轨道航天器发射任务外,还将利用自身低发射成本优势进入商业航天市场分一杯羹。

为了适应未来航天发射和垂直回收重复使用需求,在长征八号身上存在很多特点,而这些特点的组成也使得长征八号未来发展前景更好更远大,比如:

一、从首飞的长征八号硬件配置来看,3.35米直径配两台120吨级液氧煤油发动机YF-100的芯一级、2.25米直径配一台YF-100的助推器、3米直径配两台8吨级液氢液氧发动机YF-75的二级、4.2米直径的整流罩……很显然,首飞的长征八号就是把“长征七号”运载火箭的二级换成一个“长征三号甲”的氢氧三级,再去掉两个助推器所形成的产物,而这个构型其实就是当年长征七号立项时设计的长征七号722(HO)方案。所以对于长征八号而言直接移植长征七号的硬件配置,既能大幅降低研发成本,而且借助长征七号作为未来我国航天主力型运载火箭的优势,长征八号的发射成本更为低廉,发射的便捷性也更为方便的多。

二、长征八号虽然只是一枚二级半构型的运载火箭,但是其700公里太阳同步轨道的运载力达到了4.5吨以上,不仅提升了此前专职于这一轨道的长征四号只有3吨的运载力,而且也为我国新一代使用绿色环保燃料的火箭家族填补了这一高轨的发射空白。而且长征八号的二级半构型除了适合高轨发射需求外,还非常适合相近的地球同步转移轨道和近地轨道发射需求,特别是在小吨位地球同步轨道发射能力上,二级半构型比长征三号甲和长征七号改更有低成本发射优势,因此长征八号的出现也进一步完善了我国运载火箭型谱,满足了航天后续发射任务的需求。

三、大家对于长征八号的希冀更多的还是停留在商业航天发射上,随着美国Space X的猎鹰9运载火箭采用一级回收和整流罩回收技术大幅降低发射成本后,不光使得猎鹰9运载火箭成为了商业航天发射市场的低成本宠儿,而且也开创了运载火箭回收重复使用的先河。所以我国基于本身低成本发射优势的长征八号基础上开展垂直回收、重复使用技术不光顺理成章,而且能够更进一步的增强长征火箭家族在商业航天市场的影响力。

但是对于长征八号而言,想要实现火箭垂直回收现阶段的硬件配置还无法满足其垂直回收需求,按照长征八号的垂直回收方案设计,未来具备垂直回收功能的长征八号将直接采用“集束式芯一级 助推器整体回收的方案设计(这个集束式方案刚刚在长征七号改型遥二上试验成功),这个方案设计两台助推器增加了芯一级降落时的重量,使得芯一级在末端精准姿态调整时发动机推力调整范围不会太大降低了回收难度;又因为长征八号在发射过程中不再需要经历惊心动魄的助推器分离阶段,所以不光省略了分离装置的重量,更提升了长征八号的发射安全可靠性。

但是现阶段长征八号的芯一级和助推器在面对垂直回收机制时,无论是配备的火箭发动机还是气动控制方案都无法满足垂直降落需求。比如长征八号延续了长征七号的芯一级和助推器硬件配置,长征七号的芯一级装备的两台发动机采用泵前双摆技术,助推器装备的单台发动机则采用泵前单摆技术,不能垂直回收的问题不是发动机数量的问题而是这个泵前摆和发动机构型存在冲突的问题,这也是现阶段长征八号不能实现垂直回收的原因所在。

参考美国猎鹰9运载火箭芯一级一开始装备的9台发动机采用了“3*3田字形”排列方式,到猎鹰9.1.1版本的时候首次尝试垂直降落之前,猎鹰9一级火箭的九台发动机排列方式从3*3变成了环形布置方式,主要原因除了之前的田字形布置方案存在九台发动机推力输出差值较大会直接影响猎鹰9飞行安全外,还有一点就是垂直回收需要采用火箭发动机反推减速技术,而且在火箭发射会回收的过程中发动机需要较大范围摆动来调整自身姿态,田字形布置方案中发动机间距太小,根本无法实现发动机姿态调整需求。所以换成环形布置后,除了周围八台发动机推力中轴线更为重叠外,最中间的发动机与周围发动机间距更大,更适合大范围调整,特别是后期换装了加长喷管长度的梅林1D后对于空间要求更高。

但是对于长征八号而言,虽然在垂直回收方案中,芯一级的发动机只负责最后的精准姿态控制降落,两侧的助推器则承担返回初期反推减速却不参与末端降准姿调整,这也是为了避免同型号的火箭发动机如果点火次数不同,其结构也会有细微的差别,在这里如果全程都让芯级点火两次进行减速,而助推器不点火,会让助推器和芯级的发动机结构产生差别,对降低成本而言这可不是好事。其次现阶段长征八号芯一级装备的两台YF100发动机使用的还是泵前摆技术,也就是需要调整火箭姿态时整个发动机需要摆动,这就造成整个摆动过程中占据的空间更大,而且摆动空间也有严格限制。但是对于垂直降落末期只有芯一级反推、姿态控制却挂载了两个助推器增加了左右不平衡力矩的长征八号而言,在垂直回收过程中,芯一级的发动机在降落末期反推减速的发动机摆动姿态要比猎鹰9的发动机摆动姿态更大才行。

长征八号的芯一级3.35米直径虽然只比猎鹰9的3.7米直径小半米,如果直接让芯一级的发动机采用泵前摆技术的话,除了无法满足大姿态左右平衡需求外,还有一点就是在垂直回收反推的过程中,发动机的推力调整范围要更大,虽然现阶段长征八号芯一级使用的YF100具备推力大范围调节能力,但是泵前摆技术在两台发动机同时“内八”摆动较大来大范围调整火箭姿态时势必会相互干扰。这个问题在火箭爬升过程中问题不大,毕竟捆绑的助推器也具备单摆能力可以参与姿态辅助调整,但是在垂直回收时助推器只承担初期减速作用并不参与姿态调整,特别是距离地面更近需要调整姿态和推力精准降落时,两台发动机相互干扰的问题更明显,很可能就和刚试验完成的星舰SN9原型机一样,快要接近地面的时候姿态没控制好跌落爆炸。

好在我国基于YF100泵前摆技术改进而来的YF100K泵后摆发动机,2019年12月正式完成了运载火箭发射过程中所需的500秒长程泵后摆热试车试验并取得成功。所谓的泵后摆技术就是发动机在摆动过程中只有喷管单独摆动,上面的涡轮泵等部件不再参与整体摆动,不光降低了发动机推力损失、降低了发动机重量,比如YF100K最大推力相比YF100提升了5吨,发动机重量却降低了近三分之一,而且喷管单独摆动还提升了YF100K发动机的喷管摆动范围,使得其具备更大范围的姿态调整能力。

那么对于长征八号未来垂直回收时而言,只有喷管单独摆动缩小了占据空间,两台发动机在反推减速调整姿态的时候就不会相互打架,而且只有喷管单独摆动、且喷管单独摆动角度更大,也显著提升了长征八号在垂直回收末端时的姿态控制能力,毕竟还外挂了两个只搭顺风车的助推器。而且采用泵后摆技术提升了火箭垂直回收时的姿态控制能力后,这项垂直回收技术甚至可以直接移植到长征七号上,也让长征七号具备低成本、可重复使用优势。

另外承担长征八号整体降落过程中气动姿态控制的格栅舵技术我国也已经掌握,2019年和2020年我国先后在长征四号乙遥38和长征四号乙遥41型运载火箭上测试了最新研制的气动格栅舵,使得分离高度更高的芯二级降落范围缩小了85%以上。而长征四号和长征八号一样都是承担高轨发射的,那么在长征四号上验证成功的气动格栅舵技术同样可以适用于长征八号垂直返回时的启动姿态控制。

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