芯级为何不用大推力煤油机?
在第一篇文章中我们谈到,长征五号的芯级推力小,而且氢氧机不好驾驭,有人或许会问,为何芯级不同样采用液氧煤油发动机呢,“劲”还大不少,至少可以少并联一台发动机。理论上并非不可。但是煤油机的比冲相对较低,达到相同的总冲,就要求携带更多的燃料和氧化剂、储箱也更大,这样迭代后的火箭重量会大幅飙升。可以说,正是靠着这芯级的两台YF-77,长征-5号才能减重瘦身。
为啥那么胖?
说起“瘦身”,可能会有人说,“胖五”哪里瘦啊,太胖了。胖源自于它5米直径的芯级。它的芯级推力那么小,为何要搞那么粗呢?一方面的原因是液氢的密度低,其储箱要大。常规的偏二甲肼的密度大约每立方米800千克,而液氢只有70千克。如果火箭直径做得小,燃料体积又大,那火箭长细比就太大,不利于控制。
为什么不用一个大型的氢氧机?
那么为什么不搞一台推力更大的氢氧机?按照龙乐豪院士的说法,之所以选择50吨级氢氧发动机而不是100吨级氢氧发动机,当时主要考虑两方面原因。一方面,50-100吨推力的芯级发动机对火箭总体设计结果没有实质性的影响。用于一级时,50吨级的发动机可以并联两台使用,而且50吨级发动机还可用于上面级,百吨级发动机却不能。另一方面,50吨级发动机的研制难度相对较小,投入也少一些,这样更适合缺乏大推力氢氧发动机研制经验的中国。要知道,在该发动机研制之前,中国推力最大的氢氧发动机YF-75推力只有7吨。即便是50吨级的YF-77发动机,其研制过程也是历经坎坷,试验时多次发生事故(对于试验来说也算是正常)。而这次的长征-5号的失利以及长征-5遥一的部分成功,问题很可能都是出在了氢氧机上。
为什么载荷系数那么优秀?
一个有意思的现象是,尽管中国长征-5号运载火箭使用的几种发动机在同类发动机中的比冲不算高,但是整枚火箭的载荷系数却不低。如果与欧美日同级别运载火箭相比,大概只比完全采用氢氧发动机的“德尔塔-4”略低些。这主要是因为长征-5的氢氧主发动机和液氧煤油助推器的混搭方案带来优势。这种混搭也是一种中国特色和中国创造吧。而其他运载火箭多采用了比冲较低的固体燃料助推器,“宇宙神”不仅采用了比冲较低的固体火箭发动机助推器,还采用了液氧煤油发动机作为主发动机,所以在上述火箭中的载荷系数是相对较低的。
固体火箭发动机的比冲虽然较低,但是体积比冲高,也就是说提供相同的比冲时,体积小因此使用起来比较方便,而且固体火箭发动机结构简单、可靠性高,被普遍用于大型火箭发动机的助推器。哪怕它拉低了火箭的载荷系数。
液氢液氧发动机不容易驾驭。
中国以前在固体火箭发动机的研制上相对落后一些,特别是大型固体火箭发动机,对燃料的浇筑、壳体等要求都很高。随着国内固推技术的进步,中国近年来也在开始研制大型的固体助推器,相信今后将会应用到新型火箭上。
目前实际上航天业并不太看重这个载荷系数,大一点小一点对于评价火箭来说不是决定性的。这一点和战斗机不同,战斗机发动机推重比的增加将会给战机机动性带来直接影响。而火箭发动机的比冲多一些少一些不会直接影响到火箭的竞争力,毕竟火箭需要的是安全、可靠、廉价、推力满足要求。
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