探索长征五号5米芯级模块火箭神秘的历史定位


探索长征五号5米芯级模块火箭神秘的历史定位及其背后的层层谜雾

早前有网友询问我对长征五号火箭的看法,但由于事务繁忙'而且整个问题又不是三言两语就可以述说得清楚,此事就一直拖了下来;因此今天特地用一篇评论的编幅来深入分析探索这一问题.如有不足之处特请各位网友多多包涵原谅.

先将中国为什么要研制长征五号火箭根源的分析研究放到一边.让我们单纯从长征五号火箭本身的角度去分析,我认为长征五号火箭本身就存在三大谜点必须要深入探索研究.

第一章,长征五号火箭之谜.

谜点一.长征五号火箭5米芯级A'B方案竞争之谜.

目前从各方面传出的信息分析,在确定长征五号火箭5米直径芯级设计方案时曾经存在长时间的争论.最终可以归纳为两种不同的设计方案.

长征五号火箭5米芯级模块A方案

A方案主张用4台120吨级液氧煤油发动机作长征五号火箭第一级芯级,芯级直径5米左右,合计起飞推力480吨,再通过捆绑数量不等的助推器履盖不同的发射推力需求空间.第二级芯级则用一台(或者两台)120吨级液氧煤油发动机,芯级直径也是5米,推力120吨(或者240吨);而另一种方案则是利用2台(或者4台)50吨氢氧发动机研制第二级,推力为100吨(或者200吨).第三级则存在多种设计方案可供选择,第一种直接套用现成的长征三号乙火箭的氢氧上面级,第二种在现有长三乙火箭上面级的基础上再增加一台乃至数台发动机研制更大推力的上面级,第三种设想则是直接用国家目前研制中的50吨氢氧发动机研制全新的上面级火箭.

A方案最大的好处有4方面:

首先.采用以4台120吨液氧煤油发动机设计芯级,由于发动机数量与目前使用中的长征二号捆绑火箭相同,因此未来长征五号火箭箭体的力学结构\内部设备布局与火箭飞行的气动力学特征将会与长征二号火箭存在很大的相似之处,设计难度将会大大降低.

其次.新火箭的研制完全可以抛开50吨氢氧发动机研制进度的影响来进行.由于长五火箭A方案第一级\助推级\第二级完全可以利用120吨液氧煤油发动机来设计研制,而第三级也可以套用现成的长三乙火箭的氢氧上面级.不仅设计难度大大降低,而且由于一\二主级与助推级发动机单纯采用一种发动机,火箭的可靠性与发射场准备工作的简便性也将大大加强.此一优势深受火箭设计专家们的赞赏.

第三.A方案长五火箭起飞推力的扩展余地空间要远远优于B方案.由于第一级芯级就采用了4台120吨液氧煤油发动机,起飞推力达480吨.捆绑2台助推器推力将达720吨,捆绑4台助推器推力将达960吨,而捆绑四台3.35米模块作助推器起飞推力将达1440吨.

很显然,如果未来一段时间内中国不想研制更大推力的火箭发动机.长五A方案的1440吨起飞推力版本将是中国载人环月飞行最可能采用的火箭方案,因为只要利用50吨氢氧发动机研制上面级,中国完全可以在2020年之前将12至15吨重的扩大版载人神舟飞船送入环月轨道.至于发射大吨位的空间站组件,长五A方案1440吨起飞推力级火箭也完全可以承担得起,因为其低地球轨道运载能力已达40吨以上.

第四.能够与120吨级液氧煤油发动机的改进型很好地涵接从而获得更大的起飞推力.

由于大推力火箭发动机研制历程实在太过艰巨,不仅耗资巨大,而且时间周期也极为漫长("和平时期"一般都要15年左右,日本的LE7\欧洲的火神\中国的120吨级液氧煤油发动机都搞了接近20年才算成功成熟),世界各主流太空大国极少轻易启动全新大推力火箭发动机的研制工作."小修小改年年有,缝缝补补又三年"已经是目前世界大推力火箭发动机研制的常态.因此中国目前研制已经接近尾声的120吨级液氧煤油发动机的改进升级版本很快也将会展开,如果其推力达180吨的版本能够赶在2020年之前成熟,长征五号火箭A方案极限版起飞推力将可以达到2160吨,利用这种火箭采用月球轨道对接方式来执行中国的载人登月任务并非完全没有可能.

长征五号火箭5米芯级模块B方案

B方案就是目前中国已经选用,并即将执行研制生产任务的现成版长征五号火箭设计方案.由于这一方案的数据早已经公布,本人在此就不再深入论述.

谜点二.长征五号火箭3.35米芯级模块与5米芯级模块运力重叠冲突之谜.

我在深入分析长征五号系列火箭时,我就发现一个很有趣的现象,那就是3.35米芯级模块与5米芯级模块的运力差距不堪明显.由其是起飞推力500吨至1000吨这一区间.3.35米芯级模块起飞推力就达240吨,捆绑两台2.25米模块作助推器起飞推力将达480吨;捆绑4台助推器起飞推力将达720吨;但如果捆绑3.35米模块与2.25米模块各两台作助推器的话,起飞推力将达960吨.与之相反,采用5米芯级模块的长征五号火箭,如果捆绑4台2.25米模块作助推器,起飞推力也不过是580吨;捆绑3.35米与2.25米模块各两台作助推器起飞推力也不过是820吨;而只使是捆绑4台3.35米芯级模块作助推器的极限版,起飞推力也只有1060吨.

只要认真分析下目前与未来20年内中国可能发射的卫星重量,我就不能不说5米芯级模块的长征五号火箭的用处在发射卫星方面实在不大.首先请不要对我说什么长征五号3.35米模块的长径比问题,原因就在于美国的大力神3系列\4系列的长径比就要比中国目前长征三号火箭要大得多,可是大力神火箭一样成为美国政府空间重型载荷的发射主力,而且更从来不曾发生过因为长径比过大而导致到火箭箭体刚度不足凌空解体的事故.当然我不是说火箭的长径比可以无视,但中国长征五号火箭3.35米模块的长径比达到17乃至20还是可以接受的(美国今天的阿瑞斯一型火箭甚至更大).其次,也请不要对我说什么大型整流罩的限制问题.最明显的例子还是美国的大力神火箭,对比下大力神火箭的芯级直径再对比下大力神4系列火箭整流罩的直径,那可不是一般的大.事实上中国要给长征五号3.35米模块火箭配上5米直径的整流罩根本就不是不可克服的难题,而且整流罩的重量很轻,还可以采用空运的方式解决铁路运输的瓶颈问题.

更为重要的因素还在于长征五号火箭3.35米模块完全可以利用中国现成的内陆发射场进行发射(当然也包括未来的文昌发射场),而5米模块却只能限于海南文昌发射场发射.这样一来,我们就可以发现长征五号火箭5米直径模块的定位如果单纯用于卫星发射将极为不利,因为仅仅是长征五号火箭3.35米芯级模块,由其是起飞推力达720吨级的版本其近地载荷就已达14吨以上,GTO也完全可以超过6.5吨(如果在文昌发射场发射GTO只会更高);至于起飞推力达960吨的版本,LEO与GTO更可达20吨与8.5吨以上.

谜点之三.到底是长征五号火箭挟持了文昌发射场还是文昌发射场挟持了长征五号火箭.

早在长征五号火箭立项以前,国内航天界呼吁要在海南建立火箭发射场的声音就持续不断,但那也只是部分专家学者与地方官员的建议,呼叫了几十年就是不见任何结果.可是2007年中国政府却出人意料之外宣布了要立即上马建设海南省文昌发射场,这多少让人摸不着头脑.而且政府的解说也极为笼统,只是泛泛说要用于发射大质量卫星与深空探测器云云.那么中国到底又有什么样的"大质量卫星"要发射呢?!低轨道侦察卫星美国最大的锁眼\长曲球棍系列也只有十七\八吨,中国未来的大型侦察卫星估计也将处于这一水平,但要发射也完全可以利用长征五号火箭3.35米模块起飞推力达720吨乃至960吨的版本来发射;至于通讯卫星\数据中继卫星,由于长五3.35米模块火箭的极限版GTO能力可达8.5吨以上,而目前中国最重的地球同步轨道卫星平台东方红四号也不过5吨多一点,未来只使发展到东方红六号平台重量也未必达得到8.5吨.至于一箭多星的问题,其实市场远远没有人们想象中的那么大.由其大质量高价值的通讯卫星,一颗就高达2'3亿美元(甚至5亿美元),只使是欧洲空间局高度成熟的阿里安五型火箭也绝大多数时候是采用一大一小的方式进行发射搭载;目的就是尽量回避发射风险,否则的话失败一次十年的利润也不够赔.至于大质量军事卫星(特指8'9吨以上的大型光学与雷达侦察卫星),由于时效性更强,美国基本是研制出一颗就立即发射一颗;如果象日本那样失败一次就要再等上两年,在战争时代不可想象.至于空间站组件,由于长五3.35米模块极限版LEO能力达20吨,而且我国未来十几年内也只能维持一个小型空间站,LEO发射能力达20吨已经绰绰有余.

因此,无论从那个方面分析,我都无法找出"足够多'足够硬"是长征五号火箭的开发研制挟持了文昌发射场必须上马建设的证据.很显然,文昌发射场的上马建设还存在其它更为深层,更为重要的原因,而长征五号火箭的上马研制只是目前一个比较明显的"次要因素"而已.事实上促进中国政府突然宣布立即上马建设文昌发射场的核心根源就是中国的载人登月工程已经拉开了序幕.

第二章,长征五号5米芯级模块火箭实际上是中国未来巨型火箭的上面级

在<苏联载人登月计划失败流产警示录>一文中我就狂批苏联政府没有基于质子火箭按切洛梅的设想而研制出一种起飞推力达1500吨以上的小巨型火箭,并利用这一种火箭来执行苏联的载人环月飞行任务;一旦如此,只使当年的苏联没有实现载人登月工程,甚至连载人环月飞行也不曾实现,但只要苏联起飞推力达1500吨的巨型质子火箭研制成功,并成功保存下来,也将会使苏联(俄罗斯)的后世子孙重新上马载人登月球工程但以"有所凭持".

而将这一种设想套用于中国政府今天之所以开发设计了目前这一种"不伦不类"的5米直径芯级模块的长征五号火箭.那么目前长征火箭所存在种种的"谜"都可以得到相当令人满意的解答.

回想当年苏联政府在N1火箭失败之后将其完全抛弃,这不仅导致到NK33这一款优秀的液氧煤油发动机的彻底浪费,更导致到苏联当年为N1火箭上面级所研制的另一种40吨级氢氧发动机的彻底抛弃,这才是更为致命的重大损失.

与当年美国已经研制成功并投入使用的100吨级J2氢氧发动机不同,苏联为N1火箭研制的40吨级氢氧发动机由于N1火箭屡飞屡败实际上连真正足够的空间飞行试验都没有进行过就随着N1火箭失败一起被打入冷宫.而苏联在二十世纪后期为能源号火箭研制的RD0120氢氧发动机推力又太大(推力达190吨),如果要用于载人登月火箭或者其它重型火箭的上面级势必又要重新研制推力更小的氢氧发动机,这实在是无谓的多重浪费.

与之相反,如果当年苏联的NK33(推力150吨)液氧煤油火箭发动机能够如切洛梅的设想那样用于改进升级质子火箭,一旦1500吨起飞推力,LEO能力达40吨的巨型质子火箭研制成功,再利用为N1火箭配套研制的40吨级氢氧发动机制造上面级(地球脱离级),那么只使在二十世纪六十年代未期,苏联人与月球的距离也要比今天的俄罗斯人要近得多.原因就在于当年的苏联终然不能实现载人登月,但实现载人环月飞行就绝对不是问题.

可是随着N1火箭的屡次发射失败,NK33与40吨级氢氧发动机又被彻底抛弃,一切希望都随风而逝,化为泡影.老实说自N1火箭失败放弃之后,苏联(俄罗斯)人的上面级火箭技术就已经迅速衰落了.只使是俄罗斯今天质子火箭上所用的著名"微风"上面级与中国长征三号乙火箭所用的氢氧上面级相比也决不存在绝对性的技术优势.但美国欧洲近十几年来在上面级火箭方面的进步却极为明显,美国今天不仅复活了阿波罗时代著名的J2氢氧发动机,而且只使是在航天飞机时代上面级火箭技术也同样高速发展,其发射大型星际探测器如麦哲伦金星探测器\伽俐略木星探测器与及尤利西斯太阳探测器时所用的大型固体上面级火箭在技术上就不是一般的强悍.至于欧洲空间局,由于阿里安五大型火箭的研制成功,为其所配套的上面级火箭推力也在一再提升,最新研制的"芬奇"上面级推力就达18吨以上.

反观后来的苏联人与今天的俄罗斯人,由于通讯卫星发展的滞后与及载人登月工程的放弃流产.上面级火箭技术的进步就要比美国欧洲要落后得多,甚至与中国日本相比较也说不上多么先进.由其是自N1火箭发展起来的40吨氢氧发动机(这种发动机的性能当时尽管还说不上成熟稳定)被放弃之后,苏联与及今天的俄罗斯所有发展成功并投入使用的低温上面级火箭发动机推力就只有10吨左右.如果说后期的苏联与今天的俄罗斯在载人登月方面还面临什么必须克服的难题,那么大型低温上面级发动机就是最重要的一项瓶颈;只使苏联人后来研制成功190吨推力的RD0120氢氧发动机,要研制需要多次点火技术的上面级大型低温发动机方面对于苏联人而言在技术上也不能说是"轻而易举"的事情.技术要求之高从今天印度低温上面级火箭发动机的艰难研制进程中就可见一斑,这东西可不是仅仅靠吹就吹得出来的.

只使是今天的俄罗斯,要想重新实施载人登月工程,重新研制50吨级推力以上的大型低温上面级发动机恐怕就还要耗费不少时间与人力物力.原因就在于苏联在阿波罗时代所发展的40吨级上面级氢氧发动机到今时今日早已经过时,而且这种发动机只使在苏联时代由于N1火箭的失败也还没有进行过足够的空间飞行试验就被打入了冷宫.因此今天的俄罗斯要想重新上马研制40吨的氢氧上面级发动机,几乎等于要重头来过;难度只会比美国人研制J2X上面级氢氧发动机只强不弱,只大不小;而今天美国为了重新研制J2X发动机又耗费多少钱,花了多少人力物力,我想大家也心中有数.事实上2004年布什总统提出重返月球计划,NASA提出研制阿瑞斯火箭开始,直到猎户座飞船按计划开始进行试验飞行,时间跨度就达5年之久(恐怕还要延期),而J2X发动机就是其中最大最重要的"卡脖子"控制性工程.连财大气粗,技术力量天下第一的美国都要用差不多6年时间才能够彻底解决J2X上面级发动机的研制问题;那么只使今天的俄罗斯立即上马重新生产N1火箭40吨级上面级氢氧发动机,只使资金人力物力供应保证充足,时间周期恐怕至少也得有10年左右.

至此,我们就能够深刻明白中国在研制新型的长征五号5米芯级模块火箭时为什么最终选择研制难度更高的B方案而不是技术难度要低得多的A方案的深层根源.原因就是中国希望通过利用2台50吨级氢氧发动机作为长征五号火箭5米模块的芯级,力求为这一至关重要的氢氧发动机在现在就立即能够找到足够多的"合适生存使用"的发展空间,并在使用的过程中慢慢完善成熟,为未来中国巨型载人登月火箭上面级的研制积累经验与升级改进技术.

否则的话如果直接上马长征五号火箭5米芯级的A方案,如果不研制1440吨起飞推力以上的型号,在研制上面级火箭时根本就无法用得上50吨氢氧低温发动机,套用目前长征三号乙的上面级火箭就足矣, 只使要研制更大推力的型号再加多一台8.8吨氢氧上面级发动机也足够了,合计推力将达17.6吨,与欧洲目前研制中的"芬奇"上面级发动机已相差不多,而且美国的半人马座上面级火箭也存在利用两台普惠RL10氢氧上面级发动机的版本.但这样一来就带来了一个重大的问题,中国现在费尽心机研制的50吨级氢氧发动机就将成为"多余"的产物,一旦再如苏联对N1火箭40吨级上面级氢氧发动机那样一脚踢入冷宫,如果日后迟迟不能上马载人登月工程,那么这一款宝贵的50吨级氢氧发动机的研制就算是白费了,因为在其它小型火箭的研制生产上就更不会有用得上50吨级氢氧发动机的时候.这绝不是中国极大的悲衰?!当年的苏联就是如此,N1火箭放弃之后,切洛梅利用NK33液氧煤油发动机改进研制起飞推力达1500吨级的巨型质子火箭的计划也被否决,但没有起飞推力达1500吨级以上的巨型火箭就无法配得上用40吨级氢氧发动机来研制上面级(今天欧洲阿里安五火箭GTO运载能力达10吨也不用研制40吨级以上的氢氧上面级,18吨的芬奇发动机就足矣).至此苏联政府为发展N1巨型火箭花钱无数,并耗费大量人力物力所研制出的NK33液氧煤油发动机(推力150吨)与40吨级氢氧上面级发动机一个都没有在日后所有的空间实际发射活动中保持下来.

很明显这一大遗憾对今天中国的长征五号火箭研制设计者与及政治领导人们都留下了深刻的印象.事实上龙乐豪等专家们就一再强调50吨级氢氧发动机在研制未来中国的载人登月火箭上面级中的意义,没有这个东东日后要想实现中国的载人登月工程根本就不可能;否则的话如果中国单纯是为了研制一款替代掉现在利用有毒燃料的长征二号\三号系列火箭,采用长征五号3.35米芯级方案将会耗资更低,也更省时省事省力,也不必为此不惜立即上马海南文昌发射场.原因就在于要想实现未来中国的载人登月梦想,研制芯级直径5米以上的火箭是必不可少的,而长征五号大推力火箭无论是采取A方案还是B方案,其芯级直径都同样要达到5米以上.长拖不如短决,干脆一了百了立即上马海南文昌发射场,这样日后无论多大芯级直径的火箭都彻底解决了"发射难"的瓶颈问题,也算实现了为后世子孙实施载人登月工程留下了"可以足以凭持"的一项重大"基业".

当然,长征五号5米芯级A方案并非不存在复活的可能,由其是如果中国的载人登月工程要追赶时间进度的话.事实上我就极为欣赏长征五号火箭5米芯级模块A方案,由其是起飞推力达1440吨的版本,原因就在于所需的120吨级液氧煤油发动机数量也只不12台,并不过份,又由于是采用模块化设计制造,可靠性要比苏联阿波罗时代的"捆柴式"N1火箭(N1火箭第一级发动机台数高达30台,而且是全部塞入一个整体式芯级模块)要有质的提高.再配上利用50吨级氢氧发动机研制的上面级(地球脱离级)火箭,用于发射扩大版的神舟环月版飞船(重12至15吨),简直是天合之作.至于要用于发射重型卫星,那么无论是什么猎鹰还是安加拉火箭,也照样可以轻而易举一一砍于马下,那可是LEO达40吨,GTO达18吨以上的东东啊.更重要的是这样将为中国未来另一条载人登月火箭方案留下后路.如果国家决定改进升级现有的120吨级液氧煤油发动机,只要将其起飞推力升级到180吨,以起飞推力达2160吨的水平(升级到200吨,推力将达2400吨),将会给中国乃至世界留下丰富的想象空间,而且也将会大大缓解中国研制360吨级液氧煤油发动机的进度压力.


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