Green 版 (精华区)

发信人: ersy (Green Mouse), 信区: Green
标  题: 运载火箭的N个话题
发信站: 哈工大紫丁香 (Sat Jul 15 20:16:34 2006), 站内

【 以下文字转载自 Aero 讨论区 】
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。

http://www.fyjs.cn/bbs/read.php?tid=51834


※ 来源:·哈工大紫丁香 bbs.hit.edu.cn·[FROM: 219.217.250.132]
[百宝箱] [返回首页] [上级目录] [根目录] [返回顶部] [刷新] [返回]
Powered by KBS BBS 2.0 (http://dev.kcn.cn)
页面执行时间:210.891毫秒