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帖子主题:议长征3、5、7号系列运载火箭在商业领域的演进路线

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议长征3、5、7号系列运载火箭在商业领域的演进路线

小议长征3、5、7号系列运载火箭在商业领域的演进路线

2020-03-15

注:本人在书写本文时,长征火箭尚未经历发射失利。3月16日,长7失利,4月9日,长3再次失利,到此“两昌基地”在30天内经历两次失利。非常难过,痛定思痛。笔者认为,造成失利有三个原因:一是中国的液氢发动机技术并未过关,还需努力;二是人才流失,骨干流失,不可不查(原因不说了);三是高频发射,还需技术先行。

所以,回到商业发射问题来,我们认为:一、煤油发动机是工业化发射、或商业化发射的关键技术,煤油、只有煤油才能支承商业化发射行为(从成本和数量上考虑);二、液氢发动机必须要上(从性能上考虑),但是先解决可靠 性问题,然后是推力问题,再之后才能普及,因此液氢发动机暂不能成为中国火箭发动机主流——时间还早着;三,中国是大国,因此任何时候放弃肼发动机都是不正确的,来源于中国传统文化对可靠性的巨大需求(中国人怕失败,难以创新)。

正文

长征一号火箭于1965年开始研制,1970年4月24日首次将中国第一颗人造地球卫星--东方红一号成功送入太空。从此之后,经过50年的努力,中国长征系列已经形成2、3、5、7号系列为主的运载火箭家庭。其中,又以3、5、7号系列成为西昌卫星发射中心(文昌基地也是西昌卫星发射中心的分中心)的主力运载火箭。长征3、5、7号系列运载火箭各有优势,决不是简单的谁取代谁的事情,而是互相促进共同发展,从而推动中国运载火箭向世界先进火箭演进。

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一、长征3、5、7号系列运载火箭各有优势,各有缺点

长征3号(还有长征2号)系列火箭是根据东风-5洲际弹道导弹发展出来的,该型火箭主要缺点是发射成本相对较高、直径较小、推力较小、火箭燃料有毒、火箭残体落点靠近居民区。但是,由于长征3号是使用四氧化二氮/偏二甲肼推进剂的液体燃料火箭,该推进剂在常温下是液体(自燃型),贮存方便,所以他又具有高可靠性的优点(早期的长征3号因生产工艺尚不成熟和操作流程尚未优化,故障率还比较高,其高可靠性是在该火箭的长期使用和改进过程中逐步提高的)。

长征5系列火箭是采取成熟技术,综合液氧/煤油发动机、液氧/液氢发动机特点制造的大直径火箭,长征5系列火箭具有直径较大、推力较大、火箭燃料无毒、火箭落区安全的优点。但是,长征5系列火箭的下面级(芯一级)液氧/液氢发动机推力小、液氧/液氢推进剂体积大质量小,因此长征5系列火箭的同比国外型号其推力仍然较小、可靠性不高。

长征7号系列火箭也是采取成熟技术,综合液氧/煤油发动机、液氧/液氢发动机特点制造的3.35米直径火箭,长7火箭的芯一、二级使用液氧/煤油发动机,液氧/煤油推进剂的成本仅为四氧化二氮/偏二甲肼推进剂的1/10,因此长征7号系列火箭具有使用成本低、火箭燃料无毒、火箭落区安全的优点。但是,长征7号系列火箭还是存在助推器推力较小、型号较少的缺点。

二、正确看待各型推进剂优缺点,用科学和商业的观点看问题

现在国内有种观点四氧化二氮/偏二甲肼有毒,比冲较低,应该彻底放弃,这种观点并不正确。实际上,四氧化二氮/偏二甲肼在常温下是液体,贮存方便(若是用在卫星平台进行变轨和调姿,可在太空中存放10年以上),四氧化二氮/偏二甲肼是自燃型推进剂(无需点火装置),所以他具有高可靠性的优点,直到现在仍然是液体洲际弹道导弹和大多数卫星的主力推进剂。目前,四氧化二氮/偏二甲肼不仅是我卫星平台常用推进剂,美国等西方国家也要向我国进口该推进剂(我国仍然在进行工业化生产,综合成本较低)。

所以,在现实社会中应当用科学和商业的观点来看问题,彻底放弃四氧化二氮/偏二甲肼是不正确的。我们适当保持四氧化二氮/偏二甲肼的工业化生产能力,不仅可保证东风-5系列洲际弹道导弹使用需要,还能优化我国液体火箭的综合发射成本(生产量较大,成本可以适当降低),并提高我国液体火箭的应急发射能力(四氧化二氮/偏二甲肼用于液体火箭时,其发射的准备时间相对于其它液体推进剂要短,贮存时间更长)。

同样,现在网络和社会中也有种思维,普遍认为液氧/液氢推进剂比冲高,液氧/液氢发动机性能好,这也不是完全正确的。这种让人期待的情况,必须理想环境下才能实现,但是真实环境却完全不是这样的。其实,液氧/液氢发动机综合性能并不高、液氧/液氢推进剂还存体积大质量轻的缺点。液氢的密度小(约煤油的10/1)、生产成本高昂(煤油价格的10几倍)、安全性不高,而且现有液氧/液氢发动机还存在生产成本较高、推力较小、安全性不高的问题(日本的H2B氢氧火箭经常出问题,根本不可能进行高密度的商业发射任务)。因此如果主发动机采用液氧/液氢发动机,在同样体积(容积)和重量进行比较,液氧/液氢发动机和液氧/液氢推进剂并不具有优势,不仅推力较小、安全性不高,成本还高昂,根据不适合进行商业化竞争。在商业化应用中,液氧/液氢推进剂不仅不能与液氧/煤油发动机相比,甚至与我国大量使用的四氧化二氮/偏二甲肼相比也处于商业竞争劣势地位。不过,我们虽然不打算在商业环境中大量使用液氧/液氢发动机和液氧/液氢推进剂,但是通过对液氧/液氢发动机和液氧/液氢推进剂研究和应用,我们可能取得液氧/甲烷发动机和液氧/甲烷推进剂相关新技术和新成果。液氧/甲烷发动机和液氧/甲烷推进剂(密度较高,同体积能量较高,易于常温环境保存)的可控性较好且成本较低,可基于氢氧发动机技术演进。

液氧/煤油发动机和液氧/煤油推进剂是当今世界唯一具有商业前景的技术演进路线,不论东西方,国内和国外,官方和私人机构,大家都不约而同走向这个道路。液氧/煤油发动机和液氧/煤油推进剂具有成本极低、比冲较高、技术成熟、可靠性较高的巨大优势。虽然液氧/煤油推进剂并不具备长时间的常温下贮存条件(网络上有人认为该推进剂比冲高,想把它作为洲际弹道导弹燃料,显然是不行的),发射时也需要专用点火装置,但是通过技术优化(提高器件冗余度,优化制造工艺)和发射流程优化,我们还是能够提高液氧/煤油发动机的可靠性和性价比。

综合,以上三种发动机技术和推进剂各有优势,并不能做到有我无你,仍然需要在各自领域继续发挥优势。

三、有序推进长征3、5、7号系列运载火箭在商业领域中的演进和实践

现在,我们要做的是不仅能够设计、制造和使用大推力火箭,还要在商业领域形成竞争力,为此我们需要有序推进长征3、5、7号系列运载火箭在商业领域中的演进计划。

(一)长征7号系列运载火箭在高频率商业发射活动中是主角

目前,高频率商业发射活动的卫星和轨道飞行器其质量并不大,如果长征7号系列运载火箭能够提高可靠性、提高发射推力、降低使用成本(如可回收重用),他应当能够和其它商业火箭相竞争。

长征7号系列运载火箭除以上提到过的缺点外,在商业竞争中还存在直径过小、推力过小、型号过少、不可重用的缺点。曾经,我们的设计师演绎思维不足,受行政干涉过多,思维老是停留在火车运输上(为什么不能是飞机运输、水路运输、公路大件运输),长征7号系列运载火箭的直径被限制在3.35米,长征7号系列运载火箭的直径如果是3.66米(猎鹰9号)或4米,它的商业前景将更加光明的。

在现有技术条件下,如果长征7号系列运载火箭的推力还能增加,使用成本还能降下来,它就有可能与猎鹰9号相竞争。

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长征7号

(二)长征5号系列运载火箭在大推力商业发射活动中应该有所作为

发展大直径火箭是必由过程,火箭推力有多大,航天舞台就有多大,但是现有长征5号系列运载火箭的性能却很中庸,不仅技术指标中庸,其设计理念也很中庸(可能是参照了阿里亚娜5型火箭),所以长征5号系列运载火箭的各指标都很中庸。长征5号系列运载火箭不仅没有超越国际同型号火箭,如不改进其可靠性也会很低,使用成本也会很高,很容易被遗弃(当然行政指令性发射任务还不少不了的)。这里所述,我们并没有批评长征5号系列运载火箭设计师的意思,而是认为该型火箭设计师未能发挥想象,设计思路过于保守。

长征5号系列运载火箭的下面级使用小推力的液氧/液氢发动机(芯一级)、助推器的推力也比较小,就注定长征5号系列运载火箭不能成为国际具有影响力的著名火箭。

要想成为大推力、低成本、高可靠性的国际具有影响力著名火箭的第一要素就是火箭的第一级(含助推器)的推力要大。如果长征5号系列运载火箭芯一级使用小推力的液氧/液氢发动机,就应该给它配备大推力的助推器。长征5号系列运载火箭没有这样做,它就失败在前。何况,长征5号系列运载火箭芯一级使用小推力的液氧/液氢发动机和液氧/液氢推进剂,还存在使用成本高、可靠性较低、同体积推进剂能量密度不高缺点。

所以,按现行思路长征5号系列运载火箭根本不可能跟猎鹰9号相比,也不可能跟重型猎鹰9号相比较。无论是可靠性、使用成本,还是商业应用。

当然,如果我们无需考虑商业因素,仅仅只考虑载人航天、深空探测这种任务较单一的国家性应用外,长征5号系列运载火箭也还是基本完成了当年的设计愿景。

但是,在美国、日本、印度、俄罗斯、欧洲各国的压力下,我们每一个中国人在内心中仍然对长征5号系列运载火箭的未来抱有更大希望——持续改进是不可避免。

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长征5号

(三)长征3号系列运载火箭在未来商业发射活动和国内发射中将继续存在

短期内放弃和边缘化长征3号系列运载火箭是不可取的,长征3号系列运载火箭经过几十年的改进其可靠性已经很高,它的性价比正随着批量化、工业化生产被大幅提高。

长3甲被称为金牌火箭并非浪得虚名,这种源自战略导弹的火箭,对推动国防建设和经济建设都有很多好处。长3甲的第一级和第二级使用常温推进剂,技术成熟、可靠性高,因此长3甲系列火箭继续优化和生产、使用,不仅能够完成部分国内国际空间应用需求,还能够提升东风-5洲际弹道导弹性能,实在是利国利民的好事情。

长3甲系列火箭也不能故步自封,因为常温推进剂的低比冲问题还是需要解决的,不然长之以往其商业竞争力将逐步下降。

长3甲系列火箭可以在继续提高可靠性的前提下,增加几种商业型号。比如,为提高推力可发展出3.5米助推器(使用与芯级同型号的助推器);在推力有冗余的前提下,可发展出带遥控着陆推进器的相关设备,从而提高火箭残体落点精度(内陆基地必然要走这条路的),并进一步实现火箭回收和重复使用性。

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长3乙

四、未来已来,长征3、5、7号系列运载火箭的可持续化发展建议

(一)长征7号系列运载火箭的改进意见

长征7号系列运载火箭的应当对标猎鹰9号。

猎鹰9号初看是一种低成本、低技术的商业火箭,不过这个小块头却有着大智慧。它3.66米的直径刚好容纳的下9个梅林液氧煤油发动机(Merlin,译为“灰背隼”),每个梅林液氧煤油发动机的直径较小却推力不小(Merlin 1D+发动机地面推力可以增加到86.2吨,甚至更高,发动机推重比高达199),9发并联的猎鹰九号火箭即使一台甚至两台发动机出现故障关机,剩余发动机仍可继续工作将卫星送入轨道,这就能够为猎鹰9号带来足够的冗余度,也为该火箭的可回收重复利用和商业发射市场上攻城略地提供坚实的基础。

因此,以目前能力而言,长征7号离猎鹰9号还有很远的路,这不仅仅只是发动机技术、火箭重用技术,还有设计思念和管理水平。

目前,长征7号的芯一级的推力太小了(240吨),甚至还没有长3甲芯一级的推力大(300吨),这意味着如果长征7号不带助推器它甚至不能完成长3甲的现有发射任务——很尴尬。也许有人会说,长征7号主要是替代长2系列的火箭,但是设计一种火箭仅仅完成这种单一任务也太可惜了。

长征7号只有两条路可走,一是设计更强大的发动机,二是改进助推器。

设计更强大的发动机也有两个办法:一是走俄罗斯的路子,设计RD180或RD170那样的大推力发动机;二是走猎鹰9号的路子,设计小直径高推重比发动机(可靠性也要足够高才行),这两个办法可能都是我国未来需要同时走的路子——目前却是来不及了。

那么,改进助推器才是当前急需要走的路子。目前,长征5号助推器使用了的长征7号芯一级技术(长征7号芯一级和长征5号助推器均使用两个120吨YF-100液氧/煤油发动机),如果长征7号的助推器也使用长征5号的同款助推器,这不仅能够提高长征7号系列运载火箭推力(使用两个3.35米助推器总推力为6*120=720吨,4个3.35米助推器总推力为10*120=1200吨),还能统一多型号火箭助推器,从而优化多种火箭来共用助推器。

通过演进计划,长征7号推力将大大增加,有了足够的冗余,推进剂就可以多携带一些(煤油很便宜),这就为可回收重复使用的火箭奠定坚实基础(火箭回收的关键是发动机可变推力和推进剂要足量,其实用猎鹰9号的火箭回收重用技术来登陆月球和火星简直就是手到擒来)。

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猎鹰9号

所以,长征7号(增强型号,turbo)的发展思路是:一是全煤油化(低成本竞争),二是共用3.35米助推器(便于商业化量产),三是在提高可靠性的基础上,逐步推出可回收重复使用的火箭。当然,这种演进方式需要更多决心,因为这涉及发射架的改造,但是为了更长远的打算,这种改进是值得努力的。

(二)长征5号系列运载火箭在大推力商业发射活动中应有所作为

长征5号的潜力是巨大的,因为它的芯级直径大,改进余地较大。

长征5号的最大问题是在芯一级使用了不合时宜的50吨YF-77氢氧发动机。50吨YF-77氢氧发动机推力太小,直接制约了火箭的整体推力和竞争力。芯一级装载氢氧推进剂,同体积下质量较小、成本较高,不利于商业竞争。继续发展大推力氢氧发动机也许是个办法,但是50吨YF-77氢氧发动机的可靠性尚且不高,必将影响到更大推力氢氧发动机的研制进程。所以,从经济性、技术成熟度、商业竞争力考虑,应适时发展出芯一级为液氧/煤油发动机的长征5号增强型号(turbo)。

长征5号增强型号(turbo)可以使用的组合方式 :

1、5米直径芯一级(2发液氧/煤油发动机)+4个直径3.35米助推器(8发液氧/煤油发动机),共计1200吨起飞推力(这个是最优方案,技术可行,设备现成,也无需太多改造成本);

2、5米直径芯一级(2发液氧/煤油发动机)+2个直径3.35米助推器(4发液氧/煤油发动机),共计720吨起飞推力(这个方案可以直接对标猎鹰9号和H2B,技术成熟,可利用现有设施和设备,非常值得拥有);

3、5米直径芯一级(4发液氧/煤油发动机)+4个直径3.35米助推器(8发液氧/煤油发动机),共计1440吨起飞推力。

这种演进方式,可实现下面级全煤油化,成熟度较高,经济性好,可靠性高,发射架改进量也比较小,是可行的方式(当然,如果将来长5增强型的助推器也使用与芯一级相同的5米直径,其升级潜力更大,结构和构型更简单,更利于火箭回收,不过这涉及发射架改造问题)。

长征5号增强型号将有力促进我国火箭超越其它国家,却不会影响现有长征5号系列火箭的改进步伐,更大推力的氢氧发动机研发可继续进行,更大推力的煤油发动机研发也可继续进行。

(三)长征3号系列运载火箭还将在未来商业发射活动和国内发射任务中继续存在

长征3号系列运载火箭(特别是长3甲系列)已经是我国主力液体运载火箭,我们国家历来重视发射成功率,害怕创新。但是,历史表明凡事总是不进则退,美国民营火箭高歌猛进,印度重型火箭接连发展成功,日本氢氧发动机更胜一筹,长征3号系列运载火箭还是需要有所作为。

长征3号可改余地较小,一个是受限于原有技术路线,二个是西昌卫星发射场地设备已经固化。

长征3号的演进路线应该保守一点:

第一条是必须保持和继续提升长3甲(无助推器型号)的可靠性,长3甲还将长期使用,尤其是其作为国家战略备份火箭的应急发射能力应当长期存在。

第二条是,可能的话,长3甲增强型号(turbo)也可以使用两个长3甲芯一级作为助推器,其起飞推力增加到12*75=900吨,推力增加了,该型火箭的改进余地也可增大,主要是解决内陆发射场的最大问题——火箭残体精确落点问题,以及新型东方红5卫星平台(有更大重量和更大体积)发射问题。当然这就涉及到发射场的改造问题,这个改造需要在长7发射架改造成功和长7增强型号成熟之后。

第三条是,可能的话,长3甲增强型号(turbo)也可以将芯一级和相应的助推器更改为煤油发动机(使用长7型号),这样我国的主力火箭的芯一级和相应的助推器就全部转为长7型号的煤油发动机了,这将大大提升该型号煤油发动机的通用性,从而大大提升其商业竞争力。

(四)部分助推器固体燃料化是一种可探索之路

虽然印度液体火箭技术还相当弱小,但他走了一个不寻常之路,他的某型火箭使用两个超大推力固体助推器,从而快速增强力其发射能力。当然这种办法效率极低,但也是一种可选方式。

如果将来长征系列火箭不再生产2.5米液体助推器,那么我国研发通用的2.5或3.35米固体助推器就可提上日程了,这有利于降低使用成本,提高各型号火箭的通用性,并且带动固体燃料火箭技术的发展(不仅是商业应用,军事上也有更多应用在等着)。

(五)推力有保障,整流罩越大越好

西昌卫星发射中心使用长3乙发射大体积卫星,曾多次出现先是火箭发射成功,之后却因卫星入轨和太阳能电池板展开失败的教训,这就是整流罩太小惹的麻烦。长2、长3推力不足,因此火箭设计师只好尽可能进行火箭减重、减阻,通过减小整流罩,以提高运载能力,整流罩过小不利于星箭分离、载荷设计和卫星太阳能电池板展开。

增大整流罩是趋势,前提条件是推力足够大、推进剂足够多、发射成本足够低,所以尽管长5、长7的整流罩直径有所增加,但是受限于火箭推力,他们的整流罩直径还未跟上国际潮流。如果长3、长5、长7的增强型号能够顺利发射,火箭推力就不是问题了,那时长3、长7增强型的整流罩直径可能达到5.2-5.4米,长5增强型的整流罩直径可能达到5.5-7米,那时我们再也不担心航天器的体积和重量了。

注:惊悉长7甲3月16日发射失利,非常难过,于是更坚定了长征3、5、7号系列运载火箭演进升级的必要性。

3月17日

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      不知所云
      2020/4/22 22:59:40

      网友回复

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      今天是中国卫星升空50年,是航天日,非常值得纪念。

      50年前的东风导弹发动机仍然为我国服役,老一辈科学家一定感到高兴。

      今天,新的火箭发动机正在试验,前面的航天之路将更加广阔。

      2020/4/24 18:45:27
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      今天是中国卫星升空50年,是航天日,非常值得纪念。

      50年前的东风导弹发动机仍然为我国服役,老一辈科学家一定感到高兴。

      今天,新的火箭发动机正在试验,前面的航天之路将更加广阔。

      2020/4/24 18:45:27
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      渐进性、螺旋型创新是非常必要的,减少风险,小步前进,持续不断。

      更大的成功一定会来临。

      2020/4/22 23:05:19
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      注:本人在书写本文时,长征火箭尚未经历发射失利。3月16日,长7失利,4月9日,长3再次失利,到此“两昌基地”在30天内经历两次失利。非常难过,痛定思痛。笔者认为,造成失利有三个原因:一是中国的液氢发动机技术并未过关,还需努力;二是人才流失,骨干流失,不可不查(原因不说了);三是高频发射,还需技术先行。

      所以,回到商业发射问题来,我们认为:一、煤油发动机是工业化发射、或商业化发射的关键技术,煤油、只有煤油才能支承商业化发射行为(从成本和数量上考虑);二、液氢发动机必须要上(从性能上考虑),但是先解决可靠 性问题,然后是推力问题,再之后才能普及,因此液氢发动机暂不能成为中国火箭发动机主流——时间还早着;三,中国是大国,因此任何时候放弃肼发动机都是不正确的,来源于中国传统文化对可靠性的巨大需求(中国人怕失败,难以创新)。

      2020/4/22 23:02:47

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