梦寻 丨 为什么说长五现在的方案是最优方案

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首飞

2016年11月,在经历了各种幺蛾子后,长征五号运载火箭成功首飞。但是,如果你仔细看会发现飞行过程是不完美的,甚至某些屁股歪的人说你首飞是失败的,消耗了卫星的燃料才入轨。实际上却是二级打低了,靠远征二号上面级去补的,最终顺利的把实践十七号送到了同步轨道。

说到这就不得不扯一下这个实践十七号,东四S平台,发射质量约3.8吨,平时只送到GTO的卫星搭乘远征二号专车,进入同步轨道时依然是满油状态,自身纯化学推进增速量都有2500m/s以上,更不用说上面还有四颗霍尔电推,也就是说不考虑器件寿命的话,燃料够维持五十年。

入轨之后实践十七号也没有在静止轨道上应用于通信,而是在到处跑,在2018年7月时从4.3°倾角到0°倾角大幅度变轨,抵达80.9°E的中星9C(农业星)附近。二者在后续十几天的时间里始终保持这30km内的近距离,最近时可能还小于2km。实践十七号入轨之后不到一年就消耗了普通GEO星10年保位的燃料用量。

说回长五,原本为了验证上面级的多次点火能力,长五只送到200×33000km的SubGTO,在二级分离后上面级进行47秒的第一次点火后才进入200×36000km的标准GTO,但二级分离时却只到200×29000km,远地点比原计划低了4000km,也就是说火箭提供的增速量比原计划少了80m/s。接着远征二号把原计划的47秒第一次点火延长到了120秒,算是进入了标准GTO,后果就是远征二号上面级燃料不够,没有完全进入坟场轨道。

这时就有人认为可能是二级提前关机了,实际情况却是二级工作时间比原计划要更长,测是后期混合比有问题导致推力下降并且喷管红到发亮。

由于有效载荷并没有受到影响,所以根据任务结果判定为首飞成功,可能歪屁股的人又要说了,这是你果特色,臭不要脸的失败当成功,然而你美帝也有相似的案例。2016年3月23日,Atals-V 401发射天鹅座CRS OA-6货运飞船时,一级提前关机,靠半人马上面级去补救,不影响任务结果,判定为发射成功。但半人马上面级由于燃料不足无法离轨再入。

再战

首飞过后的一年里,针对二级进行了相应的改进,并且把还没完成的东方红五号平台半成品拉出来,命名为实践十八号准备在2017年还没来得及在发射任务中得到检验,长征五号遥二在2017年7月发射失败。在后续的排查中得出故障原因:芯一级的一分机涡轮排气在复杂热力环境下出现结构异常,导致发动机停机。

遥二失败后,对YF-77做了相应的改进措施,首先解决了导致遥二发射失败的氧泵裂纹问题,但是后续造了30多台样机依然未能解决遥一遥二都存在的氧泵出口压力达不到设计值的问题。

到了2018年底问题基本解决准备复飞的时候。遥四的YF-77在装机前的试车中氧泵又出现了异常,据说是转子碎了。结果就是准备出厂的遥三又被召回,上面中央军委直接给你下了死命令,不解决不让飞。

可能有人会说,既然氧泵出口压力不达标,是不是可以节流飞。答案是不可以,因为YF-77的氧泵是柔性轴,超一阶临界转速设计,如果节流的话会进入临界转速,极大的振动可能会破坏发动机结构,类似飞机的音障,在启动和关机过程中要迅速通过临界转速才能避免对发动机造成破坏。

YF-77这个问题基本上是娘胎里带出来的病,补救措施也有,只要在后续的8次试车中没有问题就证明措施有效,有一次异常就反之,最快年底或者明年年初就能复飞。

YF-77的这个问题算是比较蛇皮了,在长五首飞之前,YF-77甚至做过单机不下台点火15次,累积试车时间6000秒没有问题。高压补燃的YF-100氧泵功率更大也没有问题。甚至YF-480的涡轮泵都做出来了。全世界的氢氧机普遍是氢泵出问题,因为液氢的体积流量是液氧的三倍多,温度更低,转速比氧泵更高。然而YF-77氢泵好好的,氧泵问题却迟迟未能解决。国内关于50吨氢氧发动机的论文大多数也是关于氢泵的,深知氢泵的研制难度,结果问题出在氧泵。

争议

这时就有很多人说了,既然大推力氢氧机那么难做,为什么不做全YF-100起飞的煤油方案。

事实上早在长五论证初期就考虑过各种方案。级数分为一级半和二级半,燃料配方上分为全煤油、全肼类、煤油氢氧。肼类效率最低且有毒直接去掉不用看。上世纪论证的煤油起飞级干质比为11(上面级为10),氢氧起飞级干质比为8.3(上面级为7.7)。上次有人说我长九的氢氧二级干质比估高了,一院打死做不出来,我不信40年的材料工艺没一点进步。这时可能有人要嘲笑我国火箭的干质比了,全世界只有SPX敢把煤油二级干质比做到25,结果就是二级薄皮不能打满22.8吨。其实放眼全世界,长五的干质比已经是世界主流水平了。比如说煤油的Atlas-V一级干质比14,安塔瑞丝一级干质比13,天顶二级干质比10,联盟二级干质比11。顺便鞭尸一下阿丽亚娜5干质比只有4.3的氢氧二级,至少长五二级还有5.5。

从论证的干质比可以看出,如果做全煤油二级半火箭的话,为了保证20吨以上的低轨运力,必须12台YF-100起飞,起飞质量达到1000吨。目前长五GTO的14吨和地月转移轨道的8.2吨对应的低轨运力是32吨,为了保证这个运力指标则需要1300吨以上,还要加个氢氧上面级做成三级半。

所以目前的煤油助推+氢氧芯级的方案是我国经过论证的能满足未来运力需求的最简方案,任何一个煤油起飞的方案复杂程度都超过现在的长五。只是那个时候完全没有想到YF-77会比YF-100的高压补燃还难做。

工业基础就是这个水平,想用一两款火箭就追上世界第一纯属梦。除非能拿出比现在更好的方案,没有就别轻易嘴炮。


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