2009-10-03 18:19:54
作者squirrel
伟大的国家必然要有伟大的梦想,2009年6月10日,中科院发布中国2050年科技发展路线图,根据这份路线图,我国深空探 测的规划相当的宏伟:2012年左右:实施第一次月球软着陆和巡视勘察;2014年左右:实施第二次月球软着陆和巡视勘察;2015年左右:实施环绕火星探测并中途探测小行星的 多任务多目标探测工程;2017年左右:实现第一次月球采样返回;2018年左右:实现月球采样返回;2020年左右:发射行星科学实验室,开展行星就地探测;2025年左右:火星着陆探测和巡视探测;2030年左右:实施我国首次载人登月;2033年左右:实施第一次火星采样返回;2035年左右:实现木星以远的行星、卫星及小天体探测;2040年左右:建立首个短期有人值守的月球基地;2050年左右:实施首次载人登陆火星。
实现这些伟大的梦想,现有的长征2,3,4系列运载火箭是远远不够的,同步转移轨道最大5.5吨运力的长征3BE型火箭,实在无法承担起这么远大的任务,当然,负责月球软着陆探测器或是火星探测器的发射还是可行的,但是发射月球采样返回探测器, 就力不从心了。将于2014年 首次发射的长征5号运载火 箭,用于月球采样返回探测器还可以,行星实验室也没问题,但是即使按龙乐豪老先生乐观的计算,也只能勉强维持短期登月而已,如要维持驻月基地,需要研制重 型运载火箭,并进一步指出,重型运载火箭是实现快捷安全的载人登月和载人火星探测的必要条件,要求尽快对关键技术如500吨级液氧煤油发动机,8~10米直径箭体尽快进行预研。
可喜的是,在2007年航天推进技术发展目标中,明确指出2008~2009年的发展目标就包括这些内容:进行重型运载火箭(LEO100吨)5000KN液氧/烃系统方案、1500kN 液氢液氧系统方案的概念研究和关键技术梳理;完成用于固体小运载器和中型固体助推器的1200kN推力的整体式固体发动机研制;开始3600kN、5000kN大推力分段式固体助推器关键技术研究。我国对航天系统的资金投入逐年加大,也能满足开发这些大推力发动机的需要。根据2009年陆续出现的新闻,1200KN中型固体助推器已经初步完成开发,分段式固 体助推器的分段式发动机技术开始取得突破,3600KN和5000KN大推力固体助推器正式亮相的时间已经不远了。1200KN只能配合中小运力的运载火箭,不过5000KN(则510地面推力)的固体助推器,就是用来为我国重型运载火箭提供固体动力选择的了。考虑到液体发动机开发的难度,未来登月,我们很可能先看到这些500吨级固体助推器的亮相,配合原有长征5号的构型,已经可以勉强应付早期简单登月的需求了。
从2009年相继出现在《宇航学报》、《航空动力学报》、《火箭推进》等专业刊物上的论文来 看,5000KN的液氧/烃系统方案已经开始清晰起来,由于YF-100高压补燃液氧煤油发动机开发的成功经验, 西安的航天6院倾向于开发高 压补燃液氧煤油发动机,加上近几年新建了500吨级大推力液体发动机的试车台,作为专门进行航天推进系统的研究院,未雨绸缪,开展大推力液氧煤油发动机正当其时。不过最近的论文显 示,为了配合5米箭体的需 要,发动机推力不得不降低到4000KN,如此才能在5米直径的火箭箭体内,安装两台4000KN高压补燃液氧煤油发动机。一开始,我对这种考虑觉得很荒谬,全新重型火箭何必拘泥于长征5号的5米箭体,中国航天人实在是穷怕了,拼命省钱。不过仔细 想想这个决策也很合理,这种巨型火箭发射次数不会多,单独开发新的箭体,而不是和将来肯定频繁使用的长征5号系列火箭共用技术,从继承性上来说是败笔,从经费上 说更是败家之举。何况单台4000KN还是5000KN推力,对于近地轨道/LEO运载能力100吨以上,月球转移轨道/LTO运载能力也达到50吨以上的重型火箭来说,其实差别不大。我国的新型液氧煤油发动机,如果仅仅是4000KN或是5000KN的单台推力,在重型火箭里并不突出。美国人的Saturn-V火箭用的F-1发动机,推力可达6770KN;苏联人的RD-170/171发动机,更是达到了7400KN。不过F-1发动机没能采用更高效的高压补燃循环方式,比冲偏 低,海平面比冲仅有2580牛*秒/千克,而RD-171发动机,派生自RLA-1200发动机,由于无法实现300吨的单室稳定燃烧,所以只好单室推力降低到200吨左右,4燃烧室并联实现的大约800吨推力。航天6院计划开发的大推力高压补燃液氧煤油发动机,在采用高 性能的高压补燃循环方式,达到海平面2962牛*秒/千克比冲的同时,还将是史无前例的大推力单燃烧室发 动机。大推力发动机稳定燃烧是世界级难题,美国人为了解决容易得多的F-1不稳定燃烧问题,花费了巨大的时间和精力财力,苏联人就没能解决大推力发动机不稳定燃烧问题,现在轮到中国人了。如果我们能够做成 规划中的4000KN高压补 燃液氧煤油发动机的话,那可以说达到了液体发动机的世界最高水平,根本不需要加上"之一"二字,解决400吨级单室不稳定燃烧问题,比之解决200吨级单室不燃烧,难度即使不是天地之别也差不多了。考虑到我国的2030年登月,并不迫切,更不用说实际还可能延迟几年,对于下一代政治领导人是根本看不 到的目标,所以需求并不迫切。航天6院有充足的时间和精力进行4000KN高压补燃液氧煤油发动机的开发,不会如苏联或是美国人那样,重蹈忙中出错的覆辙,所以我对这一发动机的前景是非常看好的。用不了15年,发动机进度的细节也该公开了,我们就可以自豪 的说,中国人站在世界液体发动机水平的巅峰,而不是如现在这样面对YF-100和YF-77的技术指标档次不高而底气不足。
同样让人很感兴趣的是1500KN液氢液氧发动机,YF-77发动机地面推力仅仅是500KN级别的,当初开发它的航天1院不喜欢,后来接手的航天6院也不高兴,实在是技术指标太低的缘故,让开发者缺 乏自豪感。1500KN液氢 液氧发动机,则是后继的项目。目前没有什么足够的消息,细节一切都在云雾中,不过即使按最差的估计,和YF-77一样仅仅是燃气发生器循环的液氢液氧发动机,1500KN海平面推力,对应的真空推力将高达2100KN左右,这将是15年后,世界上第二大的推力的液氢液氧发动机,仅次于 美国的RS-68发动机,远 远高于日本现有的LE-7A未 来可能增加的LE-X,也远 远高于欧空局的火神2发动 机。考虑到欧空局可能开发以HTE项目为基础的2500KN分级燃烧液氢液氧发动机,日本早已有LE-7/LE-7A分级燃烧液氢液氧发动机,二中国航天的1500KN氢氧发动机没有迫切需要,这型1500KN液氢液氧发动机,很有可能使用分级燃烧循环方式,高指标慢慢开发。凑巧的是,1500KN地面推力的分级燃烧循环液氢液氧发动机,这个世界正好曾经有一个现成 的型号,那就是苏联人的RD-0120,能源号火箭的芯级发动机。YF-100师从RD-120,将来的1500KN 液氢液氧发动机YF-XX,师从RD-0120则是再正常不过的事情,问题在于俄罗斯人还残留了多少RD-0120的实际技术,事实上他们不仅可能失去了RD-0120的生产能力,也可能失去了很多发动机的具体技术,,如果不是一无所有的,完好的或许只有文档了。如果为了显示“中国特色”的话,很 有可能改用全流量分级燃烧循环(FFSC)方式,显著提高性能。如果能实现全流量分级燃烧循环的话,和实现大推力高压补燃发动机一样,将标志着中国航天在液氢液氧发动机技术上 也达到了世界最高水平。我很期待这一幕呢,本来对发动机系统并不抱什么希望,但是航天6院的专门成立,还有4000KN高压补燃液氧煤油发动机的出现,实在给人太多的希望和联想。或许中国航天人并 不缺少野心梦想与希望,而是过去缺钱无法实现而已。
2025年,按计划将 是是否开展载人登月的关键时间节点了,那时4000KN液氧煤油发动机和1500KN的液氢液氧发动机也将彻底公布于众。至少按目前的论证,届时将会出现的重型火箭,简直就是苏联能源火箭的加强版本,芯级都是4台1500KN地面推力的液氢液氧发动机,助推器里都是高 压补燃液氧煤油发动机,助推器推力都是800吨左右。但是,能源号是1980年代首次发射的,同样级别运载能力的土星5号更是1960年代首次发射,冷战的疯狂年代,美苏实在领先世界太远了。和能源号不同的是,我们的重型火箭还有第二级单台1500KN液氢液氧发动机,文昌发射场的纬度要低得 多,因此运载能力要远远大于能源号火箭,更不同的是,作为苏联继承人的俄罗斯航天局,届时将没有能源号这个级别的重型火箭,事实上苏联解体后,俄罗斯人就 失去了这个能力,或许是永远的。美中G2作为现在的谈资,到2030年前后,将是航天业真真切切的现实,他们将把欧空局,日本宇宙开发机构,俄罗斯航天局和印度航天机构彻底抛下,因为只有这两个国家有 足够的财力和技术,维持强大的重型火箭和大规模的深空探测。