長徵5號發射失利 但不能因此抹黑中國航天

2020-12-05 中關村在線

7月2日19時23分,中國在文昌航天發射場組織實施長徵5號遙二火箭飛行任務,火箭飛行出現異常,發射任務失利。目前,相關單位正在對故障原因進行調查分析。

雖然在此前不久,長徵5號已經有過一次失利,但這並不是可以抹黑中國航天的藉口。

正如失敗是成功之母,發現問題——解決問題——然後實現螺旋式提升是事物發展的一般規律。即便是美國和蘇聯/俄羅斯這樣的老牌航天大國也難逃發射失敗的意外。更何況長徵5號火箭是一款新產品,使用了不少新技術,這又給長徵5號的發射增加了不確定性。

長徵5號在技術上有諸多創新

在很長一段時間,長徵3號系列火箭是中國發射各類衛星的主力。進入新世紀,中國也開始著手研發自己的大型運載火箭。

2006年,中國啟動了長徵五號運載火箭項目,而且還制定了「一個系列、兩種發動機、三個模塊」發展思路。

所謂「一個系列、兩種發動機、三個模塊」具體指的是:

「三個模塊」是指使用液氧/液氫的5米直徑模塊,使用液氧/煤油的3.35米直徑模塊、2.25米直徑模塊。

「兩種發動機」是指新研製的地面推力50噸YF-77氫氧發動機和地面推力120噸YF-100液氧/煤油發動機。

在三個模塊基礎上第一步組合製造出5米直徑芯級的大型運載火箭,再進一步組合製造出3.35米直徑芯級的中型運載火箭和小型運載火箭,最終形成近地軌道運力覆蓋1.5-25噸,地球同步轉移軌道運力覆蓋1.5-14噸的「一個系列」。

長徵5號則是「一個系列、兩種發動機、三個模塊」發展思路的產物。就性能而言,除了美國的德爾塔4號重型運載火箭之外,無論是將來的日本H3還是歐盟的阿里亞娜6,還是現役俄羅斯的安加拉5運載火箭和美國宇宙神5號運載火箭,在長徵5號系列運載火箭面前大多稍遜一籌。

而長徵5號能有這個技術水準,除了後發優勢之外,很大程度上得益於使用了大量新技術。

首先是動力強。

長徵5號火箭芯一級上的50噸YF-77氫氧發動機在國際同類發動機中處於先進水平,具有運載效率高(比衝最高能夠達到465秒,比現有常規燃料發動機性能提高約50%)、推力大等特點。

4臺助推器上的120噸YF-100液氧/煤油發動機是中國單臺推力最大、技術最先進、應用前途最廣泛的新型動力裝置,該項技術的突破使中國成為世界第二個掌握高壓補燃循環液氧煤油發動機技術的國家。

更關鍵的是,相對於以往一些發動機劇毒燃料,這些發動機的燃料均無毒無汙染,像液氫和液氧的燃燒產物為潔淨度達99.99%的純淨水,具有綠色環保、零碳排放等優點,長徵5號運載火箭也因此被譽為「綠色火箭」。

其次是塊頭大。

長徵5號全長56.97米,火箭直徑5米,助推器直徑3.35米,起飛重量為867噸。

相對於以往的火箭,長徵5號是中國首次採用5米直徑的箭體結構,更粗的箭體結構可以容納更多的推進劑,不僅可以減少火箭的級數,從而減少火箭的分離次數,提高火箭的可靠性,還可以產生更大推力。

加上之前提到的YF-77氫氧發動機和YF-100液氧/煤油發動機出色的性能,長徵5號的起飛推力超過1000噸,近地軌道運載能力25噸,地球同步轉移軌道運載能力14噸。

相比之下,長徵2F的重量為464噸,近地軌道運載能力為8.4噸,長徵5號比長徵2F的運載能力提升了2.5倍以上。

最後是創新多。

相對於以往的長徵系列火箭,長徵5號是一款全新的火箭。

長徵5號上搭載了1000多臺設備,10萬多隻電子設備,如果把儀器的電纜單根連起來總長超過100公裡,在研製過程中,一共攻克了12項重大關鍵技術,取得了247項關鍵技術創新,其中還不乏頗具難度的創新

本次長五遙二火箭發射計劃把實踐十八號衛星送入指定軌道,衛星在軌運行期間將驗證東方紅五號新一代大型衛星平臺關鍵技術,並開展Q/V頻段通信等多項新技術在軌驗證工作。

然而,任務通信控制設備和火箭自身的通信控制設備是可能發生矛盾的,要解決這個矛盾是一個不小的難關。

新技術會帶來更好的性能的同時,在成熟度方面有所欠缺,這也就為長徵5號火箭的發射帶來了不確定因素。

美國和蘇聯/俄羅斯也無法避免失敗

其實,航天事故並非罕見,在這方面,即便是美國和蘇聯/俄羅斯這樣的老牌航天強國也不例外。從阿波羅1號失事至今,已經發生了不少嚴重的事故,更有2位數的美國航天員為了航天事業而獻身。

1957年,先鋒TV3火箭爆炸在發射兩秒後,因失去推力而回落到發射臺,發生強烈的爆炸。

1967年,在一次測試中,美國阿波羅1號指令艙突然發生大火,產生的熱空氣令艙蓋緊閉,三名太空人因無法逃離,而在大火中喪生。

1970年,阿波羅13號發生服務艙液氧貯箱中加熱系統過載而產生電弧放電作用,最終引發氧氣爆炸。雖然登月失敗了,但三位太空人卻依靠救生設備奇蹟般的死裡逃生。

1986年,挑戰者號太空梭在發射後僅1分13秒就在1.5萬米高空突然爆炸,包括一名教師在內的7名機組人員全部遇難。同年,一枚大力神運載火箭在發射後8秒發生爆炸,一枚德爾塔運載火箭在發射後71秒後主發動機突然熄火,90秒時自毀。

1990年,一枚大力神火箭的部分箭體從吊車上墜地,引發的大火火焰高達45米,造成至少1人死亡。

1993年,一枚大力神4型火箭在發射2分鐘後爆炸。

1997年,一枚德爾塔2型火箭在發射13秒後發生爆炸。

1998年,一枚大力神運載火箭起飛後不久發生爆炸,加上火箭上的間諜衛星,損失超過10億美元。同年,一枚德爾塔3運載火箭在發射後不久爆炸。

2003年,哥倫比亞號太空梭在因外部燃料箱表面泡沫材料安裝過程中存在的缺陷,使其在返航過途中空中解體,7名太空人全部遇難。隨後,美國總統布希終止了太空梭項目。

2011年,美國金牛座運載火箭因火箭整流罩系統未能完全打開而失事,價值4億2400萬美元的「榮耀」衛星隨即灰飛煙滅。

2015年,美國火箭三度發射失敗,其中6月28日發射的獵鷹9號火箭執行國際空間站貨運補給任務,火箭升空2分半鐘後突然爆炸解體,攜帶約2500公斤補給的貨艙也被炸毀。而在不久前,獵鷹火箭還因火箭降落角度問題和推進器氣壓閥失靈而引發爆炸。Space X空間站補給任務也3次失敗。

......

不僅是美國,蘇聯/俄羅斯、歐洲也發生過不少航天事故。1996年,歐洲航天局發射的阿麗亞娜5火箭在升空40秒後發生了爆炸。在2013年,俄羅斯的質子M火箭在發射後不久就發生了墜毀......

根據不完全統計,在過去幾十年中,俄羅斯共發射各類火箭1262次,其中失敗49次;美國發射各類火箭513次,失敗35次;歐盟發射火箭164次,失敗11次。

從中可以看出,火箭發射失敗是很難避免的,不必對長徵5號發射失敗過度解讀。

當務之急是查漏補缺

新技術在最初的使用中總會遇到意料之外的問題。在最初的時候往往折戟沉沙。

比如歐洲航天局在1996年發射的阿麗亞娜5,該次發射是該型號火箭經過了十年發展的首飛。美國的金牛座2火箭也出現過第一次發射成功,但第二次發射失敗的情況。更極端的例子是美國在上世紀60年代曾經發生過軍事衛星連續7次發射失敗。Space X即便使用60年代的技術,也同樣遭遇了三連敗。

技術發展有其規律,在新技術誕生之初,其可靠性是具有一定不確定因素的,而隨著大量使用,伴隨著事故的發生,並不斷改進,技術的成熟度會不斷提升。像俄羅斯的聯盟號火箭用了將近半個世紀了,現在罕有發生事故。

中國的長徵3號系列火箭也曾發生重大事故——1996年中國的長徵三號火箭升空2秒後就開始出現傾斜,22秒後完全失控,墜毀在距離發射塔1.85千米的山坡上,發生劇烈爆炸,導致數人犧牲。在這次事故後,相關單位進行了大整頓。

在經過不斷的完善和改良後,長徵3號系列火箭的發射成功率才達到較高的水平。可以說,技術的成熟度是依靠大量實踐磨礪後才能獲得的。

而最近幾年,中國航天的進步很大,研發出了很多新技術,像長徵5號在研製過程中,一共攻克了12項重大關鍵技術,取得了247項關鍵技術創新。

這些新技術的使用必然會增加發射的風險,而在上次長徵5號發射失敗後不久就再次發射,很可能未必對上次發射失敗的原因能有深入分析。

因此,相關單位的當務之急是徹底排查找出原因,提升長徵5號的可靠性,實現發現問題——解決問題——實現螺旋式提升。

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