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发信人: dxmxqe (亲爱的小孩), 信区: Aero
标  题: 运载火箭的Ｎ个话题
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat Jul 15 18:40:41 2006), 站内

兵器知识２００６．０１

　　［本次沙龙，我们请到中国资深运载火箭专家龙乐豪、茹家欣以及运载火箭研
究院的高朝晖工程师，一起谈谈运载火箭的话题。］

　　记：中国的运载火箭弹体都很细长，这是受铁路隧道的限制。那么，细长弹体
较之粗壮弹体在性能上有哪些弊端？

　　高朝晖（以下简称高）：细长弹体刚度减小，火箭变得更柔软，控制难度增加
。火箭也不是越短粗越好，还要考虑在火箭横截面积增加的同时，其气动阻力也会
增加，影响火箭的气动特性和运载能力，因此选择合适的长细比十分重要。

　　龙乐豪（以下简称龙）：我们的火箭芯级直径３．３５米，已经把性能发挥到
极限了。世界上最细长的火箭应该算美国的＂大力神＂，芯级长径比在２０左右，
我们的接近１７。火箭细长带来的最大问题是不好控制。细长壳体的固有频率较低
，起飞后液体推进剂一晃动，也有一个频率，这两个频率容易耦合，一旦引发共振
，火箭将被破坏。粗壮弹体的固有频率较高，和液体推进剂的振动频率不容易耦合
。除此之外，火箭细长后，载荷舱受到限制。

　　记：中国的运载火箭在发射时火焰显得稀疏清淡，不如美国的运载火箭及其航
天飞机发射的火焰浓烈，这是否是推进剂的原因？是否意味着推力不如美国的运载
火箭？

　　高：是推进剂的成份不一样，推力与火焰没有直接关系。一般来说，采用液体
推进剂的火箭燃烧过程中不会产生固体燃烧物，而我们所看到的所谓火焰浓烈是因
为美国的固体火箭或者推进剂燃烧后产生金属氧化物颗粒。从发动机的性能来讲，
其燃烧产物最好是分子量小的气体，这样不仅燃烧性能好，而且气体的充分膨胀和
加速才会产生推力。固体推进剂的构成也决定了其固体燃烧产物的多少，一般增加
的金属颗粒是为了提高固体推进剂的能量，但它的燃烧产物是固体颗粒，这不仅会
产生浓烟，也不会对推力产生贡献，所以可以说，推力与火焰的浓烈与否没有关系
。
　　由于燃烧的产物不同，一般来说液体推进剂的火焰不如固体推进剂的火焰浓烈
。

　　记：美国的＂宇宙神＂５　ＨＬＶ、＂大力神＂－４Ｂ、＂德尔它＂４、欧洲
的＂阿里安＂等火箭其助推器都很高大，而中国的＂长征＂火箭其助推器都很矮小
，这是什么原因？为何不将其做大以提高推力？

　　龙：由于必须是助推器先抛，芯级一级后抛，所以不能出现芯级一级烧完了助
推器还没烧完的情况，因此助推器的高度一般不超过芯级一级的高度。由于＂德尔
它＂４等火箭是两级火箭，它的芯级一级比＂长征＂火箭的芯级一级高很多，所以
其助推器要比＂长征＂火箭的高。

　　记：也就是说从助推器的大小能看出火箭的结构来。

　　龙：是这样。
　　高：这也是系统工程决定的，比如运载有效载荷的质量要求，发射任务的轨道
要求，助推器和芯级落区的选择等因素决定。可以做大，但是没有必要。

　　记：中国新一代大运载能力火箭的起飞重量将达到８００多吨，这比起土星－
５的３０００吨来还相差甚远，用其只能完成探月而不能登月，为何不一步到位直
接搞３０００吨的火箭？难点在哪？

　　高：一步到位成本较高，航天技术跟当前任务和未来一段时间内的需求有关系
。同时通过当前任务的研制为下一步研制积累经验。主要是发动机的设计比较难，
大推力发动机研究不出来。美国也是买俄罗斯的发动机。

　　龙：直接上３０００吨的火箭还不完全现实。当初我们也没考虑那么远，新一
代火箭的总重量可以达到８００吨，里面的两种主要发动机技术也基本突破了。但
如果想要直接搞３０００吨火箭，这两型发动机就基本用不上，还得重来。

　　记：龙总以前曾提出中国新一代运载火箭的发展途径应该是：以５米直径的火
箭为重点，采用５０吨级推力氢氧发动机和１２０吨级推力液氧煤油发动机两种新
型动力系统，以５、３．３５和２．２５米三种直径火箭为三个模块，通过组合形
成系列，满足不同任务。那么如果大推力发动机搞不出来，用多个现有的发动机模
块搞人海战术是否能达到推力要求？

　　龙：不是绝对不可以，但发动机太多会不可靠。当初美国搞土星－５时，苏联
为了对抗，搞了五级Ｎ－１火箭，第一级装３０台ＮＫ－３３发动机，总推力为４
４４９２千牛，而土星－５是３３８１３．９２千牛。结果Ｎ－１发射了４次，次
次失败。＂阿波罗＂１１登月前１３天，Ｎ－１火箭第二次发射，结果点火后８秒
第一级发动机的一台液氧涡轮泵就发生异常，造成发动机关机，１０３米高的Ｎ－
１火箭砸向发射台，２０００多吨推进剂把发射台炸得粉碎。最后一次发射是在１
９７２年，发射后１０７秒，火箭的一、二级就出现震颤，第一级发动机还提前关
机了４０秒，控制人员只能将其炸毁。

　　高：确实是这样。搞许多小发动机的并联会大大降低火箭的可靠性。大推力发
动机研制牵涉到许多理论、设计、生产、工艺、材料的问题。

　　龙：从技术上看，搞重型火箭和中型火箭不仅是量变的问题，搞推力６００吨
和几十吨的发动机是有质的区别的。但现在我们国家如果立项搞重型火箭，我相信
如果有投资，用个十来年应能出来。现在还是先把８００吨火箭搞成再说。

　　记：美国当初为何不用推力巨大的土星－５来直接带航天飞机入轨，而用了现
在这种航天飞机运载结构？

　　高：按照重复使用的理念，采用土星火箭发射成本过于高昂。它设计成现在这
种结构，中间一个装液氢和液氧剂的燃料箱，为航天飞机入轨用，两边各设一个助
推器，而且掉落海里可以再用。用土星－５替代助推器代价太贵。燃料箱的液氢液
氧推进剂如装在助推器里，助推器分离后就没办法让航天飞机入轨了。

　　龙：它的航天飞机的费用并没随飞行次数分摊下来，反而有增加。主要是太追
求精尖。

　　记：美国人曾认为火箭是成熟技术，把一次性运载火箭搞得过于尖端精致是一
种浪费。后来它以航天飞机为贵了。

　　龙：航天飞机这么多次飞行也属运气较好，每次飞行都故障频出，每种故障都
可能出严重事故。将来的低轨道空间站运输还是要重复使用的运载器，但要便宜。
现在的航天飞机是客货混用，等于用小轿车拉货，以后应用途单一，以免载荷浪费
。

　　记：运载火箭的助推器有时只有两枚，有时有４枚但却是大小推力不同的两组
，这种推力不呈全对称的情况是否会造成飞行时的不稳定？

　　高：不会，对稳定性有一定影响，但控制系统可以解决，总的来说，合力并不
会产生偏心，因此不会产生偏心力矩。

　　茹家欣（以下简称茹）：关键是控制系统，目前这已不是问题。航天飞机的推
力更不呈全对称，也没问题。

　　记：国外火箭的助推器有５个的，还有设计８个、９个的，那么助推器有无最
佳数量？装多了是否会共振？

　　茹：助推器数量不是想装几个装几个，但也没固定模式，３枚也可以。主要从
技术、经济上考虑，一般几种方案比较后，哪种合适、周期短，就用哪种。至于多
枚是否会共振，可以对壳体结构加强。

　　记：助推器与芯级一级发动机在起飞推力贡献上是什么关系？它们的推力是严
格规划好的还是谁大谁小无所谓？

　　高：推力没有主从关系，但关机时序有要求，一定是助推器先抛（也有同时抛
的，关机时序肯定要求助推器在前）。推力是严格设计好的，推力大小是有分配的
，尤其是航天飞机的飞行过程，由于质心的偏心，航天飞机本身产生的力就会产生
较大的偏心力矩，为防止这个力矩产生滚转，它的推力大小是严格限制的。

　　茹：助推器还是起帮忙的作用。＂长征＂火箭的四个助推器的总推力与芯级一
级四台发动机的总推力相当。

　　记：火箭一定要用助推器么？如果把助推器取消，将推进剂都做在芯级里，加
大芯级的直径和推力，效果是否一样？

　　茹：这种方式不是不可以，但它要比外加助推器复杂且成本高。大直径壳体会
有加工、运输方面的困难。外加助推器就简单得多。

　　记：在考虑助推器方案时，大型多节液体助推器、大型多节固体助推器、小型
整节固体助推器是否可以随意组合？

　　高：从设计、生产、成本和可靠性等方面考虑，一般一种火箭只用一种助推器
。固体助推器燃烧时间短，成本较高，其推力冲击较大，一般用于大推力加速短时
间工作的场合。液体助推器易控制，燃烧时间较长，应用较多。如任务需要，也可
采用固体和液体助推器同时使用，但对称的助推器必须采用同样的类型。

　　龙：助推器的二节、三节是指这几节药柱，而不是级，无论多少节，都是整体
一次性抛落。

　　记：苏联的＂东方＂号、＂联盟＂号、＂质子＂号等其助推器都考虑了保形设
计，都呈锥形分布在芯级周围，这是否对气动性能有利？中国及其它国家火箭的助
推器为何都直上直下而不用此设计？

　　高：锥形是对气动性能有利，保持了流线型，而直上直下是为了加工工艺的要
求，中国现在助推器头部设计为锥形。

　　龙：苏联早期火箭的助推器用这种倒锥形是为了增加气动稳定性，阻力也有所
减小。中国和别国的火箭控制技术已能消除这方面影。向了，所以没必要再抠这些
细节。苏联后来的火箭也没再采用。这是控制技术还不完善时的手段。

　　记：中国＂长征＂－３Ｃ在＂长征＂－３Ｂ的基础上，减少了两个助推器并取
消了其上的尾翼，而发射飞船的＂长征＂－２Ｆ又恢复了助推器尾翼，请问助推器
上的尾翼对运载火箭来说有多大用？是否装与不装均可？

　　高：助推器上的尾翼能够增加火箭的静稳定性，如果在设计时其稳定性已经满
足要求，就没有必要装尾翼了，如果再装尾翼，静稳定度太大，火箭反而不好控制
，也就是有个度的原则。

　　茹：如控制技术足够，就不用加。

　　龙：以后的火箭根据需要决定是否安装，并不是说尾翼就是淘汰的技术。

　　记：在推力方向调节上，目前的运载火箭主要采用哪种方式？比如燃气舵、空
气舵、二次喷射及柔性喷管等。

　　高：比如＂长征＂－３丙一子级发动机的喷口可以在伺服机构带动下单向摆动
以控制火箭姿态，最大摆角１０°。两个助推器各有一台推力为７５吨的发动机，
喷管固定不摆。而其二子级主发动机喷管固定不动，游动发动机喷管可作单向摆动
，最大摆角６０°，以控制箭体姿态。

　　茹：液体发动机是喷管和发动机上面一节一起摆动，来实现矢量控制。固体发
动机是只摆动喷管，也就是柔性喷管。

　　记：运载火箭的固体助推器其结构、燃料能量等是否与固体弹道导弹相同？从
生产角度看，元器件、工艺等技术是否一样？比如惯导系统是否水平相同？

　　茹：固体助推器与固体弹道导弹相似，但技术要低一些，惯导水平也要低一些
。运载火箭涉及到市场，要求经济性。

　　记：运载火箭载荷舱的直径一般都大于弹体的直径，是否会影响气动性能？

　　高：会影响。载荷舱大于弹体直径，过渡部分有涡流脉动压力，易形成抖振，
弹体结构要加强。＂大力神＂就是例子。

　　记：运载火箭发射飞船和卫星的入轨精度要求、技术难度是否一样？与分导式
弹道导弹的弹头入轨难度有无区别？

　　高：发射飞船和发射卫星入轨精度要求一样。分导式弹头入轨，各弹头轨道不
一样，每分离一个，火箭要改变轨道。

　　龙：卫星是天地一体化的，其精确性不完全由自己定，入轨时有一点误差，可
以靠地面控制调整。弹头则是无法调整的，要求高得多。同样，卫星和飞船返回时
的入轨与弹道导弹弹头再入时的精度要求也差别较大。

　　记：也就是说一个国家运载火箭的水平不等于其战略导弹的水平，前者对后者
也没什么帮助。

　　龙：可以这么说。运载火箭只是一个基础，但航天器也有专门的技术战略导弹
上遇不到。只能讲，一个国家运载火箭水平很高，它的战略导弹水平不会太差，反
过来不好说。

　　记：＂长征＂３号的第三级采用低温高能液氢液氧发动机，有何好处？

　　高：低温是指推进剂液氢和液氧需在低温下保存，进入箭体贮箱的液氢温度要
求小于－２５２．４℃，液氧温度要求小于－１８３℃。使用液氢液氧推进剂的主
要作用是环保，两种推进剂燃烧后产生的是水，不会造成环境污染，而且这两种推
进剂的比冲大，也就是单位秒流量的推进剂产生的推力比使用其它推进剂更高。但
是它的缺点是使用成本高。

　　记：日本Ｈ－２火箭一二子级都采用高性能分级燃烧氢氧发动机，由于液氢易
爆，中国的火箭芯级一级一般不采用氢氧发动机，为何日本就敢采用？

　　高：目前中国液氢液氧发动机的推力最大才５０吨，液氢易爆，在三级更易爆
，而中国的＂长征＂－３Ｂ火箭在三级就采用了氢氧发动机。

　　茹：我们的下一代火箭也是芯级一级都采用液氢液氧发动机，技术上基本过关
。

　　记：氢氧发动机为什么不用在助推器上？

　　茹：助推器要求推力大。液氢液氧发动机的比推力高，但密度小，会导致助推
器做得很大，因此不适合助推器。

　　龙：以前的火箭一级二级未用液氢液氧发动机，还有一个原因，就是火箭起飞
后应尽快穿过大气层，使重力的影响小一些，所以用大推力发动机。从安全上讲，
如一个屋子里氢气的含量超过一定值，挠一下头发才０．０２毫焦的能量就会引发
爆炸，液氢安全要求极高。

　　记：以前的液体发动机推进剂比起液氢液氧的缺点在哪？

　　龙：一是有毒，二是比冲低，使火箭吨位较大。我们的长－３乙有效载荷系数
是１．２２％，就是说１００吨的起飞重量能把１．２２吨的载荷送上去。当时列
世界第三，比Ｈ－２和＂宇宙神＂低，Ｈ－２为１．５２％，＂宇宙神＂２ＡＳ为
１．４９％。液氢液氧也有缺点，液氢极易挥发，它不能用于战略导弹。

　　记：以前的液体发动机也有液氧，低温保温技术是否早就过关了？

　　龙：液氢液氧的沸点相差７０度，两者的保温技术不是一个水平，而且液氧本
身就比液氢稳定一些。

　　记：－２５２．４℃如何保温？是靠冰柜还是什么？

　　龙：只能靠保温材料，所以时间不能超过２４个小时。

　　记：顺便问一下，那些保温材料在火箭起飞时是炸出去的还是怎么脱落的？

　　龙：这些保温材料是塑料的，会占重量，所以要抛掉，迎风一吹就掉了。

　　记：中国新一代火箭是否芯级每一级都采用液氢液氧发动机？

　　龙：新一代火箭最多是两级，都用液氢液氧发动机，但型号不一样。上面级推
力小一些，具有多次启动能力。

　　记：为什么级数减少了？

　　龙：少一级，可靠性提高很多。环节越多风险越大。

　　记：总体而言，日本Ｈ－２比＂长征＂火箭的先进程度如何？

　　龙：Ｈ－２的水平总体看如果用一种火箭来比，它与长－３甲系列相当，综合
性能还强些，如有效载荷系数等。但是它可靠性差，主要是太追求技术先进。

　　记：Ｈ－２后续型为降低成本，用了大量简化替代设计，既然这些设计效果也
不差，那为何当初还用那些复杂技术？

　　龙：日本人当初可能就是想这么干来的，过程中发现这些技术存在种种问题。
其实日本人很鬼，Ｈ－２Ａ的助推器它完全能搞液体的，但它搞了固体的，为的是
稍微改一下就是战略导弹。

　　茹：现在Ｈ－２Ａ还是昂贵，没市场。

　　记：是否因为没人订货导致无法批生产，成本下不来？

　　龙：我觉得还不是这点。主要还是因为它许多指标一味追求先进精确，设计生
产和试验费用高昂。它又搞了Ｈ－２Ｂ，成本不清楚。

　　记：主流观点认为日本有了核弹头制造能力，又有了Ｈ－２Ａ火箭，就已形成
战略弹道导弹的实战能力，您认为两者间的技术差距有多大？

　　龙：说实战能力不太恰当。前者只不过是具备了基础，如果它真要搞，用不了
一两年就能搞成。

　　记：可它的风洞建设不全，也没有数次实际飞行试验，战略导弹如何可靠？

　　龙：日本真要再像珍珠港那样，它就不顾那么多了，可能直接付诸实战。

　　高：它的许多数据可以引进美国现成的，有些试验可到别的国家去做。甚至也
可以用计算机模拟来替代飞行试验。

　　记：日本在系统工程方面同中国是否有差距？

　　龙：在航天领域与我们有差距。它的氢氧发动机是引进美国的，我们则完全自
力更生。与航空工业相比也是这样。航空工业老有钱，老能买到东西，但至今没有
什么过硬的自主品牌。航天则是一开始就被西方扼杀封锁，却顽强搞了出来。

　　记：运载火箭目前可以做到小批量生产么？还是发射前现造？

　　龙：目前就是批量生产，现生产来不及。生产周期也都在一到两年。

　　记：苏联的＂能源＂号是与土星－５比肩的巨型火箭，但它们结构不同。如果
我们再搞下一代巨型火箭，它们的方案谁更值得我们效仿？

　　龙：虽然推力都是巨大的，但两者不可比。＂能源＂号是低轨道运输用的，用
一级半火箭就行。土星－５是为登月用的，要求至少三级半以上。所以用土星－５
和美国为重返月球搞的新重型火箭比较才合适。新的火箭比土星－５简单，但利用
了航天飞机的氢氧发动机、助推器、大贮箱等，而且加了助推器。

　　记：土星－５没有助推器，芯级一级就是５个大推力发动机，为何过了４０年
美国还倒退了？

　　龙：实际上是更先进而简单了。

　　茹：土星－５的技术估计已没有了，推进剂等技术都已落后了。

　　记：能否说土星－５还没我们下一代火箭先进？

　　龙：不好这么说。在某些单项技术上，我们要先进，但我们毕竟从规模上无法
与之相比。

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