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记:也就是说从助推器的大小能看出火箭的结构来。
龙:是这样。
高:这也是系统工程决定的,比如运载有效载荷的质量要求,发射任务的轨道要求,助推器和芯级落区的选择等因素决定。可以做大,但是没有必要。
记:中国新一代大运载能力火箭的起飞重量将达到800多吨,这比起土星-5的3 000吨来还相差甚远,用其只能完成探月而不能登月,为何不一步到位直接搞3 000吨的火箭?难点在哪?
高:一步到位成本较高,航天技术跟当前任务和未来一段时间内的需求有关系。同时通过当前任务的研制为下一步研制积累经验。主要是发动机的设计比较难,大推力发动机研究不出来。美国也是买俄罗斯的发动机。
龙:直接上3 000吨的火箭还不完全现实。当初我们也没考虑那么远,新一代火箭的总重量可以达到800吨,里面的两种主要发动机技术也基本突破了。但如果想要直接搞3 000吨火箭,这两型发动机就基本用不上,还得重来。
记:龙总以前曾提出中国新一代运载火箭的发展途径应该是:以5米直径的火箭为重点,采用50吨级推力氢氧发动机和120吨级推力液氧煤油发动机两种新型动力系统,以5、3.35和2.25米三种直径火箭为三个模块,通过组合形成系列,满足不同任务。那么如果大推力发动机搞不出来,用多个现有的发动机模块搞人海战术是否能达到推力要求?
龙:不是绝对不可以,但发动机太多会不可靠。当初美国搞土星-5时,苏联为了对抗,搞了五级N-1火箭,第一级装30台NK-33发动机,总推力为44 492千牛,而土星-5是33 813.92千牛。结果N-1发射了4次,次次失败。“阿波罗”11登月前13天,N-1火箭第二次发射,结果点火后8秒第一级发动机的一台液氧涡轮泵就发生异常,造成发动机关机,103米高的N-1火箭砸向发射台,2 000多吨推进剂把发射台炸得粉碎。最后一次发射是在1972年,发射后107秒,火箭的一、二级就出现震颤,第一级发动机还提前关机了40秒,控制人员只能将其炸毁。
高:确实是这样。搞许多小发动机的并联会大大降低火箭的可靠性。大推力发动机研制牵涉到许多理论、设计、生产、工艺、材料的问题。
龙:从技术上看,搞重型火箭和中型火箭不仅是量变的问题,搞推力600吨和几十吨的发动机是有质的区别的。但现在我们国家如果立项搞重型火箭,我相信如果有投资,用个十来年应能出来。现在还是先把800吨火箭搞成再说。
记:美国当初为何不用推力巨大的土星-5来直接带航天飞机入轨,而用了现在这种航天飞机运载结构?
高:按照重复使用的理念,采用土星火箭发射成本过于高昂。它设计成现在这种结构,中间一个装液氢和液氧剂的燃料箱,为航天飞机入轨用,两边各设一个助推器,而且掉落海里可以再用。用土星-5替代助推器代价太贵。燃料箱的液氢液氧推进剂如装在助推器里,助推器分离后就没办法让航天飞机入轨了。
龙:它的航天飞机的费用并没随飞行次数分摊下来,反而有增加。主要是太追求精尖。
记:美国人曾认为火箭是成熟技术,把一次性运载火箭搞得过于尖端精致是一种浪费。后来它以航天飞机为贵了。
龙:航天飞机这么多次飞行也属运气较好,每次飞行都故障频出,每种故障都可能出严重事故。将来的低轨道空间站运输还是要重复使用的运载器,但要便宜。现在的航天飞机是客货混用,等于用小轿车拉货,以后应用途单一,以免载荷浪费。
记:运载火箭的助推器有时只有两枚,有时有4枚但却是大小推力不同的两组,这种推力不呈全对称的情况是否会造成飞行时的不稳定?
高:不会,对稳定性有一定影响,但控制系统可以解决,总的来说,合力并不会产生偏心,因此不会产生偏心力矩。
茹家欣(以下简称茹):关键是控制系统,目前这已不是问题。航天飞机的推力更不呈全对称,也没问题。
记:国外火箭的助推器有5个的,还有设计8个、9个的,那么助推器有无最佳数量?装多了是否会共振?
茹:助推器数量不是想装几个装几个,但也没固定模式,3枚也可以。主要从技术、经济上考虑,一般几种方案比较后,哪种合适、周期短,就用哪种。至于多枚是否会共振,可以对壳体结构加强。
记:助推器与芯级一级发动机在起飞推力贡献上是什么关系?它们的推力是严格规划好的还是谁大谁小无所谓?
高:推力没有主从关系,但关机时序有要求,一定是助推器先抛(也有同时抛的,关机时序肯定要求助推器在前)。推力是严格设计好的,推力大小是有分配的,尤其是航天飞机的飞行过程,由于质心的偏心,航天飞机本身产生的力就会产生较大的偏心力矩,为防止这个力矩产生滚转,它的推力大小是严格限制的。
茹:助推器还是起帮忙的作用。“长征”火箭的四个助推器的总推力与芯级一级四台发动机的总推力相当。
记:“长征”3号的第三级采用低温高能液氢液氧发动机,有何好处?
高:低温是指推进剂液氢和液氧需在低温下保存,进入箭体贮箱的液氢温度要求小于-252.4°C,液氧温度要求小于-183°C。使用液氢液氧推进剂的主要作用是环保,两种推进剂燃烧后产生的是水,不会造成环境污染,而且这两种推进剂的比冲大,也就是单位秒流量的推进剂产生的推力比使用其它推进剂更高。但是它的缺点是使用成本高。
记:日本H-2火箭一二子级都采用高性能分级燃烧氢氧发动机,由于液氢易爆,中国的火箭芯级一级一般不采用氢氧发动机,为何日本就敢采用?
高:目前中国液氢液氧发动机的推力最大才50吨,液氢易爆,在三级更易爆,而中国的“长征”-3B火箭在三级就采用了氢氧发动机。
茹:我们的下一代火箭也是芯级一级都采用液氢液氧发动机,技术上基本过关。
记:氢氧发动机为什么不用在助推器上?
茹:助推器要求推力大。液氢液氧发动机的比推力高,但密度小,会导致助推器做得很大,因此不适合助推器。
龙:以前的火箭一级二级未用液氢液氧发动机,还有一个原因,就是火箭起飞后应尽快穿过大气层,使重力的影响小一些,所以用大推力发动机。从安全上讲,如一个屋子里氢气的含量超过一定值,挠一下头发才0.02毫焦的能量就会引发爆炸,液氢安全要求极高。
记:以前的液体发动机推进剂比起液氢液氧的缺点在哪?
龙:一是有毒,二是比冲低,使火箭吨位较大。我们的长-3乙有效载荷系数是1.22%,就是说100吨的起飞重量能把1.22吨的载荷送上去。当时列世界第三,比H-2和“宇宙神”低,H-2为1.52%,“宇宙神”2AS为1.49%。液氢液氧也有缺点,液氢极易挥发,它不能用于战略导弹。
记:以前的液体发动机也有液氧,低温保温技术是否早就过关了?
龙:液氢液氧的沸点相差70度,两者的保温技术不是一个水平,而且液氧本身就比液氢稳定一些。
记:-252.4°C如何保温?是靠冰柜还是什么?
龙:只能靠保温材料,所以时间不能超过24个小时。
记:顺便问一下,那些保温材料在火箭起飞时是炸出去的还是怎么脱落的?
龙:这些保温材料是塑料的,会占重量,所以要抛掉,迎风一吹就掉了。
记:中国新一代火箭是否芯级每一级都采用液氢液氧发动机?
龙:新一代火箭最多是两级,都用液氢液氧发动机,但型号不一样。上面级推力小一些,具有多次启动能力。
记:为什么级数减少了?
龙:少一级,可靠性提高很多。环节越多风险越大。
记:总体而言,日本H-2比“长征”火箭的先进程度如何?
龙:H-2的水平总体看如果用一种火箭来比,它与长-3甲系列相当,综合性能还强些,如有效载荷系数等。但是它可靠性差,主要是太追求技术先进。
记:H-2后续型为降低成本,用了大量简化替代设计,既然这些设计效果也不差,那为何当初还用那些复杂技术?
龙:日本人当初可能就是想这么干来的,过程中发现这些技术存在种种问题。其实日本人很鬼,H-2A的助推器它完全能搞液体的,但它搞了固体的,为的是稍微改一下就是战略导弹。
茹:现在H-2A还是昂贵,没市场。
记:是否因为没人订货导致无法批生产,成本下不来?
龙:我觉得还不是这点。主要还是因为它许多指标一味追求先进精确,设计生产和试验费用高昂。它又搞了H-2B,成本不清楚。
记:主流观点认为日本有了核弹头制造能力,又有了H-2A火箭,就已形成战略弹道导弹的实战能力,您认为两者间的技术差距有多大?
龙:说实战能力不太恰当。前者只不过是具备了基础,如果它真要搞,用不了一两年就能搞成。
记:可它的风洞建设不全,也没有数次实际飞行试验,战略导弹如何可靠?
龙:日本真要再像珍珠港那样,它就不顾那么多了,可能直接付诸实战。
高:它的许多数据可以引进美国现成的,有些试验可到别的国家去做。甚至也可以用计算机模拟来替代飞行试验。
记:日本在系统工程方面同中国是否有差距?
龙:在航天领域与我们有差距。它的氢氧发动机是引进美国的,我们则完全自力更生。与航空工业相比也是这样。航空工业老有钱,老能买到东西,但至今没有什么过硬的自主品牌。航天则是一开始就被西方扼杀封锁,却顽强搞了出来。
记:运载火箭目前可以做到小批量生产么?还是发射前现造?
龙:目前就是批量生产,现生产来不及。生产周期也都在一到两年。
记:苏联的“能源”号是与土星-5比肩的巨型火箭,但它们结构不同。如果我们再搞下一代巨型火箭,它们的方案谁更值得我们效仿?
龙:虽然推力都是巨大的,但两者不可比。“能源”号是低轨道运输用的,用一级半火箭就行。土星-5是为登月用的,要求至少三级半以上。所以用土星-5和美国为重返月球搞的新重型火箭比较才合适。新的火箭比土星-5简单,但利用了航天飞机的氢氧发动机、助推器、大贮箱等,而且加了助推器。
记:土星-5没有助推器,芯级一级就是5个大推力发动机,为何过了40年美国还倒退了?
龙:实际上是更先进而简单了。
茹:土星-5的技术估计已没有了,推进剂等技术都已落后了。
记:能否说土星-5还没我们下一代火箭先进?
龙:不好这么说。在某些单项技术上,我们要先进,但我们毕竟从规模上无法与之相比。