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内阁首辅的航空航天与历史博客

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日志

 
 

可重复使用火箭可避免助推器砸民房  

2013-12-15 10:09:04|  分类: 默认分类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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1、本文配图来源于网上,权利归原作者所有

122130分,长征三号乙运载火箭在西昌卫星发射中心发射升空,火箭起飞后8分钟左右后,一级火箭残骸陨落在湖南省绥宁县瓦屋塘乡。按照长征三号乙运载火箭的飞行时序,助推器分离大约在130秒左右,火箭的第一级发动机与第二级分离大约在150秒左右,级间分离的高度大约为70公里,分离的助推器砸入民房并不是一件稀罕的事件,可以说建立在内陆的发射场,比如西昌发射中心,向东发射火箭时必然会出现助推器和第一级乱丢的问题。

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我国内陆地区建立的发射场发射火箭需要疏散沿途居民区内的群众,除非把发射场修在海边或者使用可重复使用技术

1957年发射第一颗人造卫星开始,运载火箭技术一直在不断发展之中,美、苏、欧洲、中国、日本还有印度、巴西等国都有着较强的运载火箭技术,成系列的运载火箭不完全统计至少有20几种以上,还有配套的上面级等,不同的上面级也可以衍生出不同的运载能力的火箭。事实上,运载火箭技术与弹道导弹技术是相通的,而且多以弹道导弹技术改进而来,美国德尔它系列、宇宙神系列还有苏俄时代的联盟系列、天顶等都是来自弹道导弹的技术,咱们东风五型、东风四型弹道导弹就有近地轨道运载能力,通过对火箭的纵向改进,比如增加级数,或者更换推力更大的发动机,亦或横向增加捆绑式助推器等都可以达到提升运载能力的目的,美国的德尔它系列和欧洲的阿丽亚娜系列、还有俄罗斯的联盟系列都是非常成功的运载火箭,但是它们都不是真正意义上的可重复使用运载火箭,作为一次性使用的运载火箭,发动机在完成燃烧后就丢弃,如果发射场修建在海岛上或则临海布设,就可以避免助推器等部件落到地面上砸到民房,比如圭亚那航天发射场,肯尼迪航天发射中心等,而我国的西昌卫星发射中心在内陆地区,向东发射火箭必然会出现火箭助推器等部件砸到地面的情况,要避免助推器砸到民房,就有两个方法,一个是把发射场搬迁到临海位置,二是研制可重复使用的运载火箭。

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  能源号火箭使用的主发动机RD-0120具备了可重复使用的特点

可重复使用的火箭由有几个途径实现,一个是发动机可以重复使用,另一个是火箭是否可以可重复使用,早期的可重复使用火箭的突破重点放在发动机的重复使用上,比如美国和俄罗斯在很早就可以研究火箭系统的可重复使用,试图发展出低成本的运载火箭,其中火箭的动力装置能否多次使用是个关键。能源号火箭的主发动机RD-0120就作为可重复使用的发动机平台进行研究,并在能源号火箭上进行了测试,虽然能源号火箭在研制时并没有考虑到重复使用的性能,这是因为对发动机的多次使用研制在经费上不划算,研制费用和生产费用加起来还不如造多台一次性使用的发动机,把已经发射的火箭发动机回收再循环涉及到回收系统和地面重整化过程,如果可重复使用建立在大量人员和设备的投入上,那么这样的可重复使用确实不如一次性使用。

火箭系统的可重复使用强调的是回收系统尽量减少占火箭发射时的死重,回收后通过较少的设备和人员,使用一些简单的处理就能实现再次发射,这对火箭分系统以及发动机的部件设计构成提出了新的要求,减少维修次数的同时提高成功率,通过自动检测保持较好的工作状态。发动机的耐用性涉及到对主涡轮泵中的涡轮叶片裂纹数量,还有推力室和附加阀门、管道的设计,此外发动机的结构寿命也是重复使用的难点之一,其涉及到热循环程度和低周疲劳等,成熟的可重复使用发动机的使用寿命可以达到100次以上,定期维护的次数还要减少,大修的周期也要延长,那么其中就要更多地使用到计算机进行健康管理。

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可重复使用技术应用在火箭上,主要是回收火箭发动机

 美国也很早就开始使用可重复使用技术,航天飞机的固体助推器(SRB)就可以回收使用,其回收系统比较简单,通过标准螺栓起爆分离,然后拉出引导伞,接着打开主降落伞,最后落到海面上,这就是为什么我们经常看到航天飞机发射后都有助推部分的东西落到海上。马歇尔航天飞行中心也进行过可重复使用火箭发动机的研制,比如在RS-84的基础上研制可重复使用火箭。从早期可重复使用火箭动力的回收方式上看,降落伞是一种途径,还有降落伞加缓冲气囊的方式,比如K-1火箭,第一级为NK-33发动机,近地轨道载荷为4.5吨,第一级在40公里左右的高度上分离后启动降落伞回收系统,着陆时通过缓冲气囊降低冲击力。2002年展出的法俄联合研制可重复使用助推器助推级使用了RD191发动机,也是第一级重复使用。

近几年的可重复使用运载火箭主要有“战神”系列火箭第一级和SpaceX太空探索技术公司研制的“猎鹰”系列运载火箭,当然后者的影响力会更大一些,作为一家私营企业在短时间内通过灰背隼-1D发动机技术取到了重型运载火箭的研制成果,其借助了成熟而推力强大的发动机技术,也得到NASA的不少帮助,比如火箭外壳上的隔热层会经常脱落,需要一种粘性材料才能保证隔热层防脱,这对火箭的可重复性极为重要,没有隔热层第一级返回时必然无法使用,灰背隼-1D发动机则源于阿波罗计划登月舱发动机,海平面推力556千牛,大约为55吨,真空推力达到617千牛,9台并联后可将10吨有效载荷送入近地轨道。“猎鹰”系列运载火箭系统涉及到的一些技术都非常成熟,还有2195铝锂合金、搅拌摩擦悍等都可以拿来就用,在这些成熟的技术积累下,SpaceX太空探索技术公司在可重复使用运载火箭上发展较快,其主要通过“蚱蜢”火箭来验证第一级火箭的可重复使用性能。

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“战神”系列火箭第一级也嵌入了可重复使用

20129月,SpaceX公司在得克萨斯州的试验场进行了“蚱蜢”火箭的首次试飞,高度达到1.8米,悬空时间为3秒左右,验证了火箭垂直起降达的可能性,首秀表演非常成功。到了201211月,“蚱蜢”火箭飞行高度达到了5,4米,悬空时间为8秒左右,本次试飞进一步验证了垂直降落火箭的关键技术,比如使用多大的支撑结构可以保持火箭的垂直着陆时具有更高的稳定性,大型支撑架在起飞时可以折叠起来贴在火箭周围,发动机部分则涉及到节流功能和推力矢量控制问题,在垂直降落的过程中可以需要保持火箭的稳定性。一个月后,“蚱蜢”火箭进行了本年度的最后一次测试,飞行高度达到40米左右,历时接近30秒。2013年的“蚱蜢”火箭依然还需要进行测试,3月份的测试中“蚱蜢”火箭达到了80.1米的高度上,并悬停了34秒,再次验证了出色的状态控制能力和推力矢量技术。火箭的垂直降落过程中无法避免横风的干扰,“蚱蜢”火箭在4月份的测试也遇到了比较强的横风干扰,从火焰的方向和角度等信息可以看出横风还不小,分析高度达到250米左右,在第六次和第七次试飞中,“蚱蜢”火箭在高度上不断刷新新的记录,并在8月份的测试中进行了横向100米的飞行测试,显示出极强的状态控制能力。今年10月份进行的测试中,“蚱蜢”火箭达到744米的高度,地点位于德克萨斯州麦格雷戈的火箭测试基地。

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  “蚱蜢”火箭是目前主要用于测试可重复技术的火箭平台,到目前为止表现不俗

显然“蚱蜢”火箭的回收方式比较特别,不是通过降落伞和缓冲气囊实现降落,而是使用反推装置实现可重复使用,可以垂直发射和垂直降落,在“蚱蜢”火箭的周围安装了四个着陆支撑腿,目前的支撑结构是无法折叠的,但是在成熟后可以实现“贴壁”式的状态。在自动回收系统成熟后,SpaceX太空探索技术公司将把该技术运用到猎鹰9号火箭上,目前猎鹰9号火箭有两种不同的载荷方式,一个是对接龙式飞船,前期执行无人状态的货运任务,后续可把龙式飞船改造成载人飞船,恢复美国本土的载人运载能力,还有一个是使用5.2米直径的整流罩,用于发射商业卫星等载荷,根据目前SpaceX太空探索技术公司的官方报价,5.2米直径整流罩的猎鹰9号火箭发射单价为5000万美元左右,如果使用了可重复的技术,单价还有可能进一步降低。

猎鹰9号火箭的第一级和第二级都被设计成可重复使用,第一级返回比较简单,类似目前的“蚱蜢”火箭,级间分离后自动返回发射场附近,第二级可以再入垂直降落到发射场附近,后续的猎鹰重型改进型推力更大,通过捆绑液体助推器实现更大的近地轨道运载。事实上,美国国家航空航天局和麦道公司等研制的“三角快帆试验机”已经验证过以火箭发动机作为回收主要动力的可行性,当时涉及到的计划为单级入轨火箭技术,是一种垂直起降的重复使用发射平台,最大飞行高度超过了3000米,比目前“蚱蜢”火箭抵达的高度要高许多,至少“蚱蜢”火箭还没有突破1000米大关,而且单级火箭系统的垂直起降技术在容错飞控、多次启动关机等方面有着较强的技术要求。

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灰背隼-1D发动机强劲的推力是“猎鹰”9号的重要保障

 可重复使用火箭最为主要的还是发动机,灰背隼-1D发动机为单轴双叶轮涡轮泵推进,矢量控制上有着较高的成熟度,热导系数和蠕变强度的提高是可重复使用火箭的重要基础,如果是多级运载火箭,第一级和第二级分离,以及第二级分离后如何降落是能否成功返回的决定性因素,从“蚱蜢”火箭的测试上看,其状态调整的过去的几次测试中一直是关键点,横风干扰下的姿控对发动机要求较高,如果是第二级再入返回,可能要进行多次点火调整姿态和航向,基于目前的三倍冗余飞控与惯导技术还需要进一步改进,毕竟目前的再入制导依然为航天飞机的分段制导策略。第二级再入过程中较为重要还有隔热系统,在这方面太空探索技术公司显然得到了美国国家航空航天局的帮助,在隔热系统与箭体的粘合材料上可以节省很多时间和人力。

可重复使用的运载火箭系统将是一个过渡型的平台,在单级和两级入轨平台没有成熟之前,可重复使用的火箭可以在一定程度上降低发射费用,我国的长征三号乙火箭发射单价在6000万美元左右,“猎鹰”9号的费用要少1000万美元,这个价格比现役的几种同级的运载火箭要便宜很多,H2火箭和阿丽亚娜5型火箭的商业发射价格至少上亿美元,相比之下猎鹰重型的8000万美元发射价格的确便宜很多,这对全球商业火箭发射市场而言是个巨大的冲击。

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  长征五号火箭使用的 120吨级YF-100液氧煤油发动机在可重复使用上依然没有较大的突破

可重复使用运载平台的未来发展应该是朝单级和两级入轨方向前进,向轨道发射载荷不需要复杂的准备工作,从普通的机场就能起飞,第一级和第二级分离后返回地面,实现真正意义上的可重复使用,当然这样的标准需要涉及到的技术就困难多了,但动力系统依然是最为关键的主导因素,没有成熟的高超音速动力是绝对无法实现的,尤其为我国而言,发动机系统是传统的弱项,即便正在测试的长征五号火箭配套动力120吨级的YF-100液氧煤油发动机与德尔塔4使用的RS-68氢氧机相比依然有不小的差距,因此在火箭发动机的可重复使用领域,我国落后的幅度较大。

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