長徵2號運載火箭是用於發射我國載人太空飛行器的運載火箭。先後把11艘神舟號宇宙飛船和天宮號軌道空間站發射上了太空。大家都以為這枚火箭很大,它的起飛重量在480噸,近地軌道的運載能力在8.4噸。
》不比不知道,跟大火箭比起來,長徵2號運載火箭就是牙籤。
目前,世界上最大的運載火箭是Space x公司的重型獵鷹,發射重量達到1400噸。而傳奇運載火箭土星5號,是美國用來發射阿波羅系列登月飛船的運載工具,它的起飛重量更是高達3000噸。
前蘇聯為了登月,曾經造出過一個起飛重量和土星5號運載火箭相當的運載火箭N1。使用了幾十臺小的火箭發動機進行並聯工作,才實現了巨大的推力。但是並聯工作的火箭發動機總體可靠性差,所以這枚火箭發射了幾次都失敗了。
作為工作在高溫高壓下等極其嚴苛環境下的火箭發動機,它的設計和生產難度都非常大。一旦發動機出現問題,就會出現箭毀人亡的事故。
如果一臺發動機的可靠性是99.9%。100臺發動機並聯以後,整體可靠性就會降低到90%。所以為了實現大推力的運載火箭,不能靠小型發動機並聯來解決推力不足的問題,必須獨立研製大型的火箭發動機,而所有大型運載火箭的成功關鍵都卡在大型火箭發動機上。
天體在太空中永恆運動,不會停止。所以,不管是星際宇航,還是發射衛星都有一個最佳的時間窗口發射期。
》從地球向火星發射火箭,每二十六個月才會有一次發射窗口。
如果用中等推力的運載火箭,通過多次發射航天部件,在太空中搭建成一個大的太空飛行器的辦法,會消耗較多時間,有可能錯過發射窗口期。
所以,雖然像長徵2號這樣的中等推力運載火箭已經能執行相當多的任務。但是飛往火星和飛往月球的任務,這樣的火箭還是很難勝任的。
火箭發動機的研製難度和火箭發動機的燃料有關。其中最容易研發,而且發動機推力可以做的很大的是使用偏二甲肼的火箭發動機,一般我們稱它為「大毒發」!因為偏二甲肼是一種劇毒的物質。
使用偏二甲肼作為燃料,可以輕鬆的把火箭發動機的推力搞到500噸以上。
當然,在過去的航天發射中,基本上所有的太空飛行器都是一次性使用的,火箭發射成本主要在於火箭本身。
》將來火箭發展的趨勢,是為了滿足太空的持續開發,需要大幅降低火箭的發射成本。這個時候,就必須使用重複性的運載火箭。
在可重複運載火箭中,燃料成本佔了決定性的比例。在這種情況下,偏二甲肼作為燃料,不僅有毒,而且成本偏高。
目前,作為重複使用火箭發動機的燃料,最適合的是甲烷、液氧,或者是煤油、液氧。
但是煤油、液氧發動機的問題是容易積炭,推力相對來說比氫氧火箭發動機容易做大。所以,一般液氧煤油火箭發動機用在大推力的一級。
火箭發動機推進效率有一個專業的航天術語叫做比衝。根據動量守恆,火箭前進所獲得的動量,與火箭噴出燃料的動量相等。噴出燃料的動量越大,火箭推進的效率越高。動量又稱為衝量,比衝就是衡量火箭發動機燃料效率的指標。按照比衝來說,氫氧發動機的效率最高。
(作者註:一般把 ft稱為衝量,實際上ft=(m*a)*t=m*(a*t)=mv。)
但是液氫的製備、儲備成本非常高,同時考慮經濟性和發動機的研發難度,使用液氧、煤油的火箭發動機最適合做大的。
上個月,我國發射成功的長徵5號運載火箭,它的一級發動機就是YF100液氧煤油發動機。
》Yf100的推力是120噸。我們國家現在正在研製的液氧、煤油發動機的最大推力可以達到450噸。
5臺450噸的液氧煤油發動機並聯,可以推動2000噸的重型運載火箭。這種發動機將用在我們國家正在研製,並且打算在2028年發射的長徵9運載火箭。
在使用助推器以後,長徵9號運載火箭的整個發射重量可以達到4000噸,一舉達到地球第一。可以一次性的把150噸重的太空飛行器送入近地軌道。
長徵9號運載火箭研製成功以後,我國的火箭才會真正的進入世界一級梯隊。