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  • 1 # 魑魅涅磐

    5月5日傍晚18時06分,中國新一代長征5B運載火箭搭載新一代載人飛船試驗飛船,順利在海南文昌航天發射中心發射成功。這次成功發射不僅是長征5B新型火箭的首飛成功,更是一掃前兩個月長征7號甲型和長三甲型火箭發射失利後的陰霾,更重要的是這次長征5B運載火箭的發射成功,也代表著中國正式開始建設空間站等載人工程的第一步,祝賀長5B發射成功,祝賀中國航天再一次取得勝利!

    剛剛發射成功的長征5B運載火箭和美國SpaceX公司的獵鷹9運載火箭相比誰更先進的問題,其實總的來說還是我們的長征5B運載火箭更強、更先進一些。

    首先從兩款火箭的運載力來說,剛剛發射成功的長征5B運載火箭的LEO近地軌道最大運載力高達25噸,是要承擔著未來一段時間包括空間站建設、火星探測器發射、嫦娥登月返回等重大航天發射任務,而這些即將發射的大型航天器不僅體積大、而且發射質量普遍都在20噸左右,所以這就要求長征5B運載火箭不僅要有能夠容納超大體積的整流罩,更重要是其最大運載力至少要超過23噸以上才能滿足對以上航天器的發射需求。

    而美國的獵鷹9運載火箭歷經多次升級改進後,其LEO近地軌道的最大運載力也提升到22.8噸,雖然和長征5B的25噸最大運載力相差無幾,但是對於航天發射而言,是以千克計算發射能力的,所以在近地軌道的最大載荷上獵鷹9就不是長征5B的對手,當然要是以三枚並聯的獵鷹重型火箭對比的話,別說是長征5B了,就是美國自家的德爾塔4重型運載火箭都不是其對手,畢竟獵鷹重型運載火箭並不是純粹用來執行航天發射任務的重型火箭,更多的是為了向外界表達SpaceX公司航天實力的一張“名片”。

    獵鷹9運載火箭雖然擁有高達22.8噸近地軌道運載力,但是實質上在獵鷹9運載火箭五十餘次發射任務中,最大極限發射重量也就只有2019年雙11那天創下的15.6載重紀錄,也就是說獵鷹9運載火箭雖然理論上擁有高達22.8噸的近地軌道運載力,但是實際上最大發射重量現只停留在15.6噸。而這背後除了獵鷹9運載火箭最大22.8噸的極限近地軌道運載力是透過放棄火箭回收外,還有其為了增強火箭的近地軌道極限運載力,將火箭推的重比提升至安全上限以上,也就是說22.8噸的近地軌道極限運載力是放棄火箭回收和降低火箭發射安全性而的得到的資料。

    如果這樣算的話,實質上剛發射成功的長征5B運載火箭理論上擁有高達32噸的近地軌道運載力,比現在公佈的最大25噸的近地軌道運載力高了28%,但是這樣做會大幅度降低火箭發射的安全性,所以為了保障火箭在發射過程中的安全性保障需求,長征5B將近地軌道的最大運載力控制在25噸,因為25噸的近地軌道運載力已經能夠很好的滿足包括即將發射的天問一號火星探測器、天和號空間站核心艙段、嫦娥登月返回探測器等大型航天器的發射任務。可以說隨著這次長征5B的首飛成功,接下來中國將要進行的火星探測、深空探測、空間站建設、嫦娥登月返回等所有圍繞地球運轉和前往臨近星球的航天器發射將沒有任何阻礙。

    其次從長征5B運載火箭和獵鷹9運載火箭使用的火箭發動機來說,首先長征5B使用的YF-100液氧煤油火箭發動機海平面推力高達120噸,海平面比衝也達到了294S,但是獵鷹9使用的梅林1D+發動機海平面最大推力只有93噸,比衝也只有282S,雖然看起來推力和比衝相差不大,但是最後的效能資料差別卻是相當大的,因為按照簡化版的火箭發射公式計算下,相差幾秒的比衝背後卻是火箭最終速度的差距,不過好在梅林1D火箭發動機幹質比高達158,比其他同級別的液氧煤油火箭發動機質量輕了近一半多,同時獵鷹9運載火箭也是全世界第一個超輕質化設計的火箭,大量使用質量更輕的2198鋁鋰合金和半氣球儲箱和複合材料外殼,所以最終才能達到其他推力更大的火箭相差不大的運載力。

    而且梅林1D發動機使用的還是老舊的開式迴圈方式,這一點從梅林1D發動機執行過程中噴管一側有廢棄排氣管就可以看出,因為梅林發動機採用的燃氣發生器迴圈方式在工作中除了會額外消耗掉預燃的的燃料能量外,燃氣發生器迴圈的液氧煤油火箭發動機預燃室也會因為執行時間過長而產生積碳沉積到渦輪本體上,既降低了火箭發射過程中渦輪泵的安全可靠性,而且對於獵鷹9這種一級回收重複使用的火箭而言,每次回收後都需要將整個梅林發動機拆解修復清理積碳。

    但是像長征5號使用的YF-100這樣液氧煤油火箭發動機,因為使用了分級燃燒和富氧燃燒的迴圈方式,推動渦輪泵初轉的預燃燃氣全部被重新進入燃燒室燃燒,所以沒有梅林發動機的能力浪費問題,而且分級燃燒和富氧燃燒的迴圈方式下,也不存在渦輪泵積影響火箭發射安全性的焦慮。美國為什麼單臺400萬美元從俄羅斯進口推力400噸的RD-180液氧煤油火箭發動機,而不使用此前成功使用多次的土星五號一級火箭裝的推力更大的F-1液氧煤油火箭發動機,就是因為F-1液氧煤油火箭發動機使用的還是老舊的燃氣發生器迴圈方式。

    其次因為獵鷹9火箭使用的梅林發動機使用的還是老舊的燃氣發生器迴圈方式,這種迴圈方式除了迴圈效率低、燃料利用率低以外,因為發動機在工作中產生的積碳會影響渦輪泵的正常運轉,所以就算獵鷹9一級火箭能重複使用四五次,但是每次卻會因為發射的積碳影響而降低下次發射時火箭發動機的安全可靠性,所以這也是為什麼SpaceX的獵鷹9發射次數越多後安全性越差的原因所在。相反類似YF-100這種使用效率更高的迴圈方式的火箭發動機因為沒有積碳的問題,所以反而更適合作為重複回收使用的火箭發動機,這一點其實計劃今年下半年首次發射試驗的長征八號運載火箭,就是這樣一款使用YF-100液氧煤油火箭發動機的“可回收、重複使用”性火箭。

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