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[原创]缩小版长征五号火箭研制设想的构思过程回顾

缩小版长征五号火箭研制设想的构思过程回顾
高凉陈君主将研制缩小版长征五号火箭的设想由来已久,到今天已经长达6年时间了。
第一,现阶段必须充分认识到困扰长征五号火箭研制的难点是“好用”而不是“堪用与能用”。
长征五号火箭要实现GTO运力14吨的初始设计目标,现在的确面临巨大困难。但如果仅仅要做到“堪用与能用(与欧洲当年阿里安五G火箭的水平相当、即GTO运力降低到78吨的区间)”,以实现能够发射基于东方红五号公用平台所研制的重型通讯卫星的“小目标”。办法可就要简单得多了。
高凉陈君早在2013年就提出要将长征五号火箭主芯级的YF77氢氧发动机的持续工作时间缩小为300350秒的建议设想。目标就是为了能够让长征五号火箭可以赶在2014年实现首飞,并能够成功发射78吨级的基于东方红五号平台而研制的重型通讯卫星(那时八院的9000公用平台还没有出现)就了事。
第二,高凉陈君当年就是参考日本的H2B与美国的德尔塔4H火箭的参数来模拟设计这一款“缩水迷你版长征五号火箭”的。
一,日本H2B火箭带来的启示。
日本H2B火箭的起飞质量是531吨,起飞推力是1141吨,起飞推重比高达21,因此H2B火箭的上升加速极快。其LEO运力达165吨,GTO运力也达8吨。
H2B火箭的LE7A发动机的持续工作时间仅为352秒,LE5B上面级氢氧发动机的推力也只有13吨左右,与中国长征五号火箭所用的YF75D氢氧上面级(并联2YF75D发动机)的总推力(2*8=16吨)也相差不大。
日本H2B火箭的研制成功(首飞于2009911日)当年就给高凉陈君带来非常巨大的启发意义。因此早在2013年之前,高凉陈君就决定要参照日本的H2B火箭的发展演进路径来研制一款“改进型缩水迷你版长征五号火箭”,目的就是要让长征五号火箭能够尽快实现首飞。
二,美国德尔塔4H火箭。
同样,美国的德尔塔4H火箭的发展路线也给予高凉陈君很大的启发性。
美国的德尔塔4H火箭的起飞质量是733吨,起飞总推力为990吨,起飞推重比则为135。而德尔塔4H火箭所用的RL10B2氢氧上面级发动机的推力更只有区区的10吨左右,要远远低于长征五号YF75D上面级的16吨级。
而德尔塔4H火箭主芯级的RS68氢氧发动机的持续工作时间也只有333秒(CBC助推器的抛弃时间则为248秒),但RL10B2氢氧上面级发动机的持续工作时间则高达850秒至1125秒区间,完全是“怪物级别”的神器。
因此,早年在2013年开始,高凉陈君就设想中国的长征五号火箭也必须参考日本H2B与美国德尔塔4H火箭的成功发展路径,即也必须主动缩小YF77主芯级发动机的持续工作时间为300350秒区间。并通过此一种方式来大大提升YF77氢氧发动机的工作可靠性。
对于当年日本人H2B火箭的开发成功,高凉陈君就感到巨大的震撼与紧迫感。并且对H2B火箭迅速的上升加速度非常感兴趣。事实上日本H2B火箭所采用的陡峭的高抛飞行弹道,大大缩小了LE7B氢氧发动机的持续工作时间(352秒),这对于当年仅仅只进行过500秒长程地面试车考核的YF77氢氧发动机而言,实际的参考价值意义更为巨大。
因此,高凉陈君当年就开始感觉到中国的长征五号火箭走“一级半”入轨的构型演进路线已经“误入岐途”了。
结果最后不幸言中。

本文内容为我个人原创作品,申请原创加分

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      2019/1/17 22:38:55

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      [size=10.5]当年,美国人在上马星座载人登月工程时,其中就有一个方案是计划要使用德尔塔[size=10.5]4H[size=10.5]重型火箭来发射猎户座载人飞船的地球轨道版。而猎户座飞船可是重达[size=10.5]25[size=10.5]吨以上的大飞船,但那时也没有任何美国人认为德尔塔[size=10.5]4H[size=10.5]火箭的[size=10.5]DCSS[size=10.5]低温上面级无法承载起重达[size=10.5]25[size=10.5]吨的猎户座飞船来执行[size=10.5]LEO[size=10.5]轨道的飞行任务(资深航天观察家都知道的事)。同样,欧洲的阿里安五号火箭在执行[size=10.5]ATV[size=10.5]货运飞船的发射任务时也一样要使用到一个常温上面级。而且阿里安五火箭发射[size=10.5]ATV[size=10.5]飞船时所走的飞行路径也是明显的高抛弹道(网上有视频可证明)。因此,高凉陈君一再坚持要使用二级半构型的缩小版长征五号火箭来执行天宫空间站的核心舱与实验舱的发射任务都是有着扎实的科学根据的。当年美国猎户座飞船计划要使用德尔塔[size=10.5]4H[size=10.5]火箭来执行[size=10.5]LEO[size=10.5]轨道的发射任务就是最好的参考对比榜样。[size=10.5]
      [size=10.5]
      [size=10.5]高凉陈君现在就看中国航天界在长征五号火箭“一级半”构型的死胡同里还能够执迷不悟到何时。一级半构型的长征五号火箭,明显就是将所有的“重担”全部都压在了本身就作为长征五号火箭整个研制工程项目中最薄弱的环节,即[size=10.5]YF77[size=10.5]氢氧发动机的身上去了。历史迟早将会证明这绝对是一个致命性的总体设计大错误。[size=10.5]
      [size=10.5]
      [size=10.5]长征五号火箭采用一级半构型来执行[size=10.5]LEO[size=10.5]轨道的发射任务,这就明显产生了严重的风险积聚与放大效应。即极大地增加了主芯级[size=10.5]YF77[size=10.5]氢氧发动机的安全工作可靠性负担,让整个长征五号火箭研制项目的生死成败全部命悬[size=10.5]YF77[size=10.5]氢氧发动机一线。而今天[size=10.5]YF77[size=10.5]氢氧发动机的研制又恰恰好是整个长征五号火箭研制工程木桶中最短与最致命的那块“木板”。因此,今天导致长征五号火箭整个研制项目工程骑虎难下极其被动局面出现的原因,总体部门在规划设计时所发生的重错误绝对难辞其咎。[size=10.5]
      [size=10.5]
      [size=10.5]陈天(高凉陈君)[size=10.5]
      [size=10.5]
      [size=10.5]2019-1-18

      2019/1/19 8:24:43
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      没有必要无限拨高使用二级半构型长征五号火箭来执行LEO任务的难度

      没有必要无限拨高使用二级半构型长征五号火箭来执行LEO任务的难度

      任何认为直径达5米的YF75D氢氧上面级顶不起重达23吨的天宫空间站核心舱与实验舱的忧虑都是经不起推敲的。因为欧洲的阿里安五火箭、日本的H2B火箭与美国的宇宙神5火箭均表示不同意。

      欧洲的阿里安五火箭在执行ATV货运飞船的发射任务时所使用的常温上面级的直径就是5米的。而ATV飞船的重量却高达20吨以上。

      日本的的H2B火箭在执行HTV货运飞船的发射任务时所使用的LE5B低温上面级的直径更只有4米。而HTV飞船的重量也高达16吨。

      同样,美国的宇宙神5火箭在执行波音公司的星际线载人飞船与内华达山脉公司的追梦者无人航天飞机的发射任务时。双发RL10发动机版本的半人马座上面级的直径也一样只有3米。但星际线载人飞船的重量也达14吨。

      为什么阿里安五、H2B与宇宙神5的上面级就能够顶起重达常规GTO发射任务一倍以的载荷重量而根本不必要进行上面级结构的加强改进?!而中国的长征五号火箭一说到要改为使用“二级半”构型来执行LEO轨道的天宫空间站舱段平台的发射。就有那么多人认为YF75D氢氧上面级顶不起重达23吨的核心舱与实验舱来执行发射任务。这完全是经不起推敲的事情。

      因为事实就是YF75D上面级的结构死重要远大于德尔塔4H火箭的DCSS低温上面级,而德尔塔4H在执行锁眼11重型侦察卫星的发射任务时,DCSS上面级就要顶起重达17至20吨的载荷重量来执行SSO轨道的实际飞行发射任务。而中国的天宫空间站的核心舱与实验舱的发射重量尽顶也不过是23吨而已。才高过美国锁眼11重型侦察卫星不过5吨左右而己。

      因此,拿长征五号火箭来与外国同类型火箭进行反复的比较分析之后,高凉陈君坚决认为中国的长征五号火箭的二级半构型完全可以不必进行重大的结构改进,就完全足以执行LEO轨道天宫空间站舱段平台的发射任务。

      至于要将目前版本的YF77主芯级发动机的持续工作时间缩小为350秒左右,实际上目前版本的长征五号火箭的一切硬件基础都完全可以不进行改变,仅仅将主芯级的燃料与液氧的加注量降低35吨左右就一切了事。至于YF100煤油发动机助推器的捆绑点更不必去进行改动。如此,余下的工作量就只有修改目前版本长征五号火箭的飞行控制软件的小事情。

      要修改目前版本长征五号火箭的飞行控制软件,来适应YF77主芯级发动机的持续工作时间缩小为350秒后的飞行弹道变化情况。这也最多就是耗时一个月时间的小问题。因此,高凉陈君现在坚决认为,无限拨高使用二级半构型的缩小版长征五号火箭来执行LEO轨道任务的“改进难度”的一切理由都是完全不成立的。只要有心去做,这甚至仅仅是“一句话”的决策性问题。

      现在,就只能让历史来见证末来。

      陈天(高凉陈君)

      2019-1-18

      2019/1/18 13:39:24
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      没有必要无限拨高使用二级半构型长征五号火箭来执行LEO任务的难度

      没有必要无限拨高使用二级半构型长征五号火箭来执行LEO任务的难度

      任何认为直径达5米的YF75D氢氧上面级顶不起重达23吨的天宫空间站核心舱与实验舱的忧虑都是经不起推敲的。因为欧洲的阿里安五火箭、日本的H2B火箭与美国的宇宙神5火箭均表示不同意。

      欧洲的阿里安五火箭在执行ATV货运飞船的发射任务时所使用的常温上面级的直径就是5米的。而ATV飞船的重量却高达20吨以上。

      日本的的H2B火箭在执行HTV货运飞船的发射任务时所使用的LE5B低温上面级的直径更只有4米。而HTV飞船的重量也高达16吨。

      同样,美国的宇宙神5火箭在执行波音公司的星际线载人飞船与内华达山脉公司的追梦者无人航天飞机的发射任务时。双发RL10发动机版本的半人马座上面级的直径也一样只有3米。但星际线载人飞船的重量也达14吨。

      为什么阿里安五、H2B与宇宙神5的上面级就能够顶起重达常规GTO发射任务一倍以的载荷重量而根本不必要进行上面级结构的加强改进?!而中国的长征五号火箭一说到要改为使用“二级半”构型来执行LEO轨道的天宫空间站舱段平台的发射。就有那么多人认为YF75D氢氧上面级顶不起重达23吨的核心舱与实验舱来执行发射任务。这完全是经不起推敲的事情。

      因为事实就是YF75D上面级的结构死重要远大于德尔塔4H火箭的DCSS低温上面级,而德尔塔4H在执行锁眼11重型侦察卫星的发射任务时,DCSS上面级就要顶起重达17至20吨的载荷重量来执行SSO轨道的实际飞行发射任务。而中国的天宫空间站的核心舱与实验舱的发射重量尽顶也不过是23吨而已。才高过美国锁眼11重型侦察卫星不过5吨左右而己。

      因此,拿长征五号火箭来与外国同类型火箭进行反复的比较分析之后,高凉陈君坚决认为中国的长征五号火箭的二级半构型完全可以不必进行重大的结构改进,就完全足以执行LEO轨道天宫空间站舱段平台的发射任务。

      至于要将目前版本的YF77主芯级发动机的持续工作时间缩小为350秒左右,实际上目前版本的长征五号火箭的一切硬件基础都完全可以不进行改变,仅仅将主芯级的燃料与液氧的加注量降低35吨左右就一切了事。至于YF100煤油发动机助推器的捆绑点更不必去进行改动。如此,余下的工作量就只有修改目前版本长征五号火箭的飞行控制软件的小事情。

      要修改目前版本长征五号火箭的飞行控制软件,来适应YF77主芯级发动机的持续工作时间缩小为350秒后的飞行弹道变化情况。这也最多就是耗时一个月时间的小问题。因此,高凉陈君现在坚决认为,无限拨高使用二级半构型的缩小版长征五号火箭来执行LEO轨道任务的“改进难度”的一切理由都是完全不成立的。只要有心去做,这甚至仅仅是“一句话”的决策性问题。

      现在,就只能让历史来见证末来。

      陈天(高凉陈君)

      2019-1-18

      2019/1/18 13:39:09
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      第三,中国完全可以采用“三级半”构型的缩水版长征五号火箭来发射嫦娥五号月球无人采样飞船与火星2020探测器。
      其实,如果长征五号火箭主芯级的YF77氢氧发动机的持续工作时间能够缩短为350秒左右(上限不应超过380秒)的话,长征五号火箭的主芯级液氢与液氧的加注量就能够减少35吨左右。这样采用“二级半”构型通吃来执行LEOSSOGTO任务时,其起飞质量就能够降低到830吨左右,起飞推重比也能够提升到13以上。
      参考美国德尔塔4H火箭的推重比参数,如果缩水版的长征五号火箭的起飞推重比能够提升到13以上,长征五号火箭助推器所加装的尾翼也可以去掉了。如此将能够进一步优化长征五号火箭的结构重量。
      根据前面JOKI兄与其它网友的模拟推算,采用“二级半”构型的缩水版长征五号火箭是能够执行天宫空间站23吨级的核心舱与实验舱的LEO轨道发射任务的。
      同样,对于嫦娥五号、嫦娥六号无人月球采样飞船的发射,缩水版的长征五号火箭在执行任务时,改为再加装上一个“远征2常温上面级”。即实际改进为采用“三级半”构型来执行LTO轨道的发射任务,高凉陈君认为也是可行的。
      大不了嫦娥五号、六号月球无人采样飞船未来也不得不改为走当年嫦娥一号飞船的慢速轨道路线,也要花上1个多月时间才“荡”到月球轨道就了事。
      同样,未来的火星2020探测器也一样可以采用加装上远征2号常温上面级的“三级半”构型的缩水版长征五号火箭来执行发射任务。
      事实上美国的宇宙神551火箭在发射“新地平线”冥王星探测器、德尔塔4H火箭在发射“帕克”太阳探测器时,也一样是要加装上一个ATK公司(现在叫诺格系统公司)的STAR48固体燃料上面级的。如此,美国的EELV火箭实际上也是改为采用“三级半”构型来执行深空轨道的发射任务。
      但由于中国没有STAR48这样现成的固体燃料上面级火箭,现在也只能够改为使用“远征2号常温上面级”火箭来凑数了。考虑到远征2号常温上面级与嫦娥5号月球无人采样飞船组合体合计的总重量都远远没有22吨。如此缩水版的长征五号火箭改为使用20米级的“长整流罩”时,也一样能够应付过去。
      总结,火箭运力不够,增加级数来凑。这也是没有办法时的唯一办法。
      那怕是使用缩水版的长征五号火箭来“通吃”执行LEOSSOGTO轨道的发射任务,也都是起飞质量高达830吨以上的“典型大火箭”了。缩水版长征五号火箭(即长征五号火箭的庞大体量就摆在那里,再什么“缩小”,都一样是典型的重型火箭)如此巨大的起飞质量已经要比世界著名的美国德尔塔4H火箭、欧洲阿里安5火箭与俄罗斯质子火箭都重至少100吨以上。
      事实上俄罗斯人的质子火箭与冷战时期美国人的大力神4H火箭也一直是如此。当年美国人的大力神4H火箭在执行GTOGEOLTO与外星轨道的发射任务时,就通通是采用“三级半”火箭构型来应付的。
      至于俄罗斯人的质子火箭,在执行GTOGEOLTO与外星轨道的发射任务时,更是通通采用“四级”火箭构型来执行发射任务。
      因此,中国的长征五号火箭是必须学会“变通”的最后时候了,因为再发射失败一次,目前版本的长征五号火箭注定就没有了未来。
      将长征五号火箭的YF77主芯级发动机的持续工作时间缩小为350秒左右,再改为使用“二级半”构型来通吃执行LEOSSOGTO轨道的发射任务;使用“三级半(即增加一个远征2号常温上面级)”构型来通吃执行GEOLTO与外星轨道的发射任务。这绝对是当前长征五号火箭改进经济成本最好与技术风险最低的唯一可行办法。
      陈天(高凉陈君)
      2019117

      2019/1/17 22:41:44

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