重型猎鹰完胜绝不仅仅因为它装得多

18-02-07

Permalink 17:37:45, 分类: 佳作转载

重型猎鹰完胜绝不仅仅因为它装得多

当地时间2月6日中午12时45分,美国SpaceX公司的“重型猎鹰”运载火箭在万众瞩目中在肯尼迪航天中心的39A发射场成功发射。这个发射场曾经用于执行“阿波罗”登月飞船的和航天飞机发射任务,当时这两种航天运载器都是美国和世界上最大的航天运载器,“重型猎鹰”再次重现了这一辉煌。

“重型猎鹰”火箭作为现役最大的火箭,载重大本身是一个巨大的优势和亮点,这涉及复杂的工程问题,实现起来非常难。但实际上,“重型猎鹰”以及“拼凑”它的“猎鹰-9”运载火箭的先进之处不仅仅表现在其载重大上。

“重型猎鹰”是目前运载能力系数最大的火箭,其发动机的推质比最大,此外还采用了一系列提高可靠性的技术。可以说,让它坐上当今最强火箭宝座的,是一个庞大的新技术、新理念阵列。

现役火箭运载能力系数最高

“重型猎鹰”的一个先进之处在于运载能力系数非常大。运载能力系数是指其最大有效载荷与起飞重量的比值。这个数值越大,意味着火箭能以更小的重量,扛起更大的载荷,说明火箭总体设计优秀。对于大型、重型火箭而言,这一指标可以大大瘦身,降低总体重量,减少燃料,降低总体成本。更难得的是,“重型猎鹰”的高运载能力系数是以最简单的燃气发生器循环的液氧煤油发动机达到的。

如果以其近地轨道(LEO)有效载荷63.8吨、最大起飞重量1428吨算,“重型猎鹰”运载系数高达0.0447。目前现役的重型“德尔塔IV”全部采用液氢液氧发动机,其近地轨道运载能力系数为0.0387。长征七号的LEO运载能力系数为0.0226。如果我们以中国长征五号运载火箭GTO有效载荷14吨、起飞重量878吨算,其GTO运载能力系数为0.0159。而“重型猎鹰”的GTO轨道运载能力系数高达0.0187!

注意燃烧室喷管旁边的“大烟囱”,那实际上是燃气发生器产生的富氧燃气,直接排放到外部了,所以叫开式循环,而这些燃气中还含有不少能量。所以燃气发生器循环方式不能充分利用燃料能量,比冲相对较低。

要知道,“德尔塔IV”采用的是液氢液氧高能燃料,而长征五号芯级火箭使用的是液氢液氧燃料,助推器发动机虽然使用的是液氧煤油,但是循环方式是燃烧效率更高的分级燃烧循环。这两种火箭的运载能力系数之前在国际上可以说是数一数二,特别是和那些采用了固体助推器的火箭相比,而在“重型猎鹰”面前却逊色三分了。

发动机推质比最高

按理说,无论是长征五号使用的高压补燃液氧煤油发动机还是燃气发生器循环的液氢液氧发动机,其比冲(比冲是指单位质量燃料产生的冲量,代表着燃料的能量和燃烧效率)都要高于“重型猎鹰”使用的“梅林-1D”发动机,为何最终的效率却不如“重型猎鹰”呢?

这就涉及“梅林”发动机另外一项“剑走偏锋”的设计。它以简单的燃气发生器循环设计达到了极高的推重比。燃气发生器循环,也就是利用燃料在燃气发生器内燃烧产生燃气,驱动涡轮泵,通过涡轮泵向主燃烧室内注入大量燃料燃烧,燃气发生器燃烧后的废气直接排出发动机外(所以又被称为开始循环),这被认为是一种不够先进的循环方式。在此基础上发展的高压补燃循环或者叫分级燃烧循环,则将燃气发生器产生的富氧或者富燃气体排入燃烧室(燃气发生器内的燃料混合比不能达到最佳,否则温度过高)“再烧一次”,这样不仅利用了“废气”中的能量,而且燃烧室内进行更充分和可控的液-气混合燃烧。所以,同样的燃料,分级燃烧的火箭发动机比冲普遍燃气发生器循环更高。“梅林-1D”发动机既没有使用能量更高的液氢液氧,也没有使用分级燃烧技术,所比冲相对较低。

但是,正是由于结构简单,加之设计优化、材料先进,使其推重比达到了空前的水平。2014年第100台“梅林-1D”发动机制造完毕时,其推重比为155。而有些资料显示最新型“梅林-1D”发动机推重比高达180甚至更高,这以数值远超世界任何一款液氧煤油和液氢液氧发动机。之前最终比最高的发动机是苏联N-1火箭的NK-33,推重比也就120左右。

推重比高的优势就是在提供相同推力的时候,大大降低发动机自身重量,进而提高火箭整体的干质比(火箭除了燃料以外的各种系统的质量和火箭总体质量之比),这个数值是决定火箭的整体效率的另外一个重要因素。干质比约大,越有利于火箭的加速。

猎鹰3米多的壳体内可以塞入9台梅林发动机。而长征七号3.35米的芯级只装入了两台发动机。

“梅林”发动机简单的结构也简化了生产,2014年的产量是每周4-5台。

多冗余度技术保证高可靠性

一台梅林发动机可以举起相当于40台轿车的重量,9台发动机一秒钟能够燃料540加仑燃料,相当于在不到一分钟的时间里抽干一个家庭游泳池的容积。不过,在火箭发动机中,其推力是非常小的,SpaceX公司不得不“推力不足数量补”。不过,“梅林-1D”发动机体积也非常小,所以可以在“猎鹰”火箭的3.66米的壳体中塞进9台发动机,长征-7号3.35米直径也只并联了2台YF-100发动机。

对于传统火箭来说,“推力不足数量补”是一个被迫采取的手段,因为这种方式被认为会大大降低火箭的可靠性。其中一台发动机出现故障,都会对火箭的成功发射构成致命威胁。而且并联过多发动机,之间也会产生难以预料的耦合震动。因此,发动机并联的越多,可靠性越差。一个最典型的例子就是当年苏联的登月火箭N-1,一级使用了30台发动机,几次发射均以失败告终。这次“重型猎鹰”发射前,SpaceX公司总裁马斯克也承认:“‘重型猎鹰’要求同时点火27个轨道级发动机,这时候可能会出现很多问题,这是地面测试很难预测的事之一”。

但最终“重型猎鹰”成功了。这仍然得益于“梅林-1D”发动机自身的设计。首先,由于其结果简单,自身具有高度可靠性,进而大幅增加了总体可靠性。其次,“梅林-1D”发动机推力可以在大范围内调整。拼凑“重型猎鹰”的“猎鹰-9”火箭即便发射时一台发动机出现故障,其他发动机可以自动增加推力补偿。甚至在度过了发射初期的最关键时刻,即便有两台发动机失效也无妨。所以,即便其一级安装了多达9台发动机,仍然保持了较高的可靠性。这又源于“梅林”发动机可在大范围调整流量的涡轮泵,而其核心技术就是针栓式喷注器,使得其在推力调节和燃烧稳定性方面表现优异。在长征五号之前,中国火箭的涡轮泵基本不具备变流量能力,长征五号虽然具备一定的调整能力,但是无法通过大幅度增加其他火箭发动机推力的形式弥补单台发动机失效。

这个公式表明了比冲和干质比对火箭的重要意义。其中C为比冲与重力之际。

上述技术只是“重型猎鹰”一系列新技术阵列中的几项。正是在美国的整体工业优势支撑下、大量的航天人才储备下以及残酷的市场竞争下,成就了“猎鹰-9”和“重型猎鹰”。

当然,“重型猎鹰”由于发动机太多,可靠性还需要后续发射进一步验证,特别是当起飞时如果处于不同位置的多台发动机发生故障,其面临的推力构型和耦合震动都很复杂。所以,“重型猎鹰”基本上是把“梅林-1D”的潜力挖掘殆尽了。无论是中国未来的长征九号运载火箭,还是美国在研的巨型火箭,都是基于大型的发动机,而不是“重型猎鹰”这种捆绑小型发动机的形式

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莫听穿林打叶声,何妨吟啸且徐行。竹杖芒鞋轻胜马,谁怕?一蓑烟雨任平生。 料峭春风吹酒醒,微冷,山头斜照却相迎。回首向来萧瑟处,归去,也无风雨也无晴。

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