中国航天的“新花样”——海上发射+固体火箭背后有什么特别意义?

国际金属加工网 2020年09月22日

近来国内国际的大事纷纷乱乱,疫情、疫苗、TikTok、华为……各种消息不断拉扯着人们的注意力。但即使是在这种大新闻频频的情况下,一条关于我国高端科技设备进展的消息也依然吸引了部分群体的注意。

9月15日上午9:23,我国在黄海海域,用长征十一号海射运载火箭,采取“一箭九星”方式,将“吉林一号”高分03-1组卫星送入预定轨道,发射获得圆满成功。

火箭

大多数人一想到航天,就联想到神秘的宇宙空间、浪漫的星辰大海以及和日常生活息息相关的导航卫星、马斯克的太空WiFi等。

但事实上,航天不仅仅是科技和商业领域的事,也涉及到一些更为现实和沉重的话题,这也是航天发射,尤其是新装备的发射,历来引人关注的原因。

简单说,我们通常看到的火箭发射,一般都是1-3级带有燃料箱和复杂燃烧、喷射系统的火箭连接在一起,推动另外的物体(卫星、探测器等)离开地面,然后在到达某个速度和高度后和其分离,然后那个物体经过自有动力微调到达预定轨道,或者是飞往更远深空的过程。

不过,这只是我们通常看到的情况。火箭还发射还有一种另情况:当火箭运载的物体和火箭分离之后,并没有停留在轨道上或者向更高(远)处飞,而是掉头向下,重新一头扎进大气层向地面飞去。

如果发射的是前一种东西,那么在发射后,你会发现头顶的天空中又多了几颗星星,在每一个夜里和皎洁的月光交相辉映。

后一种东西则是从天而降的月光宝盒,具有让人穿越时空、见识到石器时代场景的力量。

发射前一种东西的火箭就是我们说的火箭,后者实际上也是。但是因为作用差别太大,为了区分,人们给发射后一种东西的火箭取了个看起来完全说不上关系的名字——弹道导弹。

没错,导弹就是火箭。更严谨地说,导弹就是火箭的一种。二者许多技术通用,甚至就是完全一样的,只不过把顶上的载荷(运载的物体)从航天器换成了会爆炸的战斗部而已。

这也是美国当年威震全球的“和平卫士”,现在摇身一变成了“米诺陶”;过去国内2家航天企业分工明确——“航天科技送人上天,航天科工送人上西天”,如今后者开始凭借“快舟”系列火箭“戗行”的原因。

火箭发射的意义不只是“星辰大海”,更和现实的国防安全有关。

正因如此,在近些年全球事务愈加纷乱、形势愈发诡谲的情况下,从长征六号首飞成功,到长征五号乙发射成功,到长征七号甲首飞失败,再到如今的长征十一号发射,新一代火箭的几次发射都调动着大众的情绪。

同样,这也是本次发射行动备受关注的原因,尤其受到关注的是本次发射的两大特点,一是海上发射,二是采用了固体火箭。

怎么都往海上跑?

自2015年9月首飞以来,不算这次,长征十一号已发射9次,其中8次陆地发射100%,技术已然成熟。对于本次发射的意义,火箭院长征十一号运载火箭副总指挥金鑫介绍称,这是长十一火箭执行的第2次海上发射任务,也是第1次海上商业化应用发射。

他还提到:“通过这次发射,把这种组织模式进行总结、基本上规范下来,后续形成一个海上发射组织模式的文,这将进一步提升海上发射技术的安全性和可靠性,为推动长十一海上发射常态化奠定坚实基础。”

海上发射常态化,就意味着把海上发射变成一种能够按照规范开展的发射模式。再加上位于山东海阳市的我国首个海上航天发射母港——东方航天港项目已经在如火如荼的建设当中,显然,海上发射将是未来我国火箭发射的重点发展方向之一。

不仅是我国,早在上个世纪60年代,美俄2国就对海上发射的重要性有所认识,并开始了试验。只是后来美国放弃了,俄罗斯坚持建设了海上发射平台。而中国在长征十一号首飞以后,也成为和俄罗斯并列的、目前唯二具有海上发射技术的国家。

要说明的是,美国不坚持,不代表海上发射不重要,只是他们有特殊情况,而且这也只是过去的情况。对于未来,马斯克今年8月宣布,送人上火星的星际飞船(Starship)及其运载火箭将“主要从海洋太空港发射”。

可能很多人会有疑惑,为什么各个火箭发射大户在陆上造好火箭,要辛辛苦苦拖到大洋上发射?

海上发射其实就是将火箭发射平台从陆地搬到海面上,陆上发射的问题就是海上发射的优势,这里主要有3点,分别是发射倾角问题、运输问题、安全问题。

先说后两者。

对于火箭这种庞然大物来说,运输是个很大的问题。在过去,我国只有酒泉、太原、四川3个卫星发射中心,全都深入于中心部内陆,而火箭的研发制造均在北京完成。从制造基地拖到发射场至少几百公里。这么长的距离加上这么庞大的体积和重量,用汽车运基本上是不可能的,只能走铁路。

而这又受到铁路基础设施的限制。老一代火箭如长征二号系列、长征三号系列,以及基于前者改进的新一代火箭长征七号,直径都是3.35米,这就是因为途经的铁路隧道,最宽只能承载这个大小。

安全问题考虑的是,火箭发射如果失败,会从空中直直砸下来,且就算不失败,在正常的发射程序中,火箭也会往下丢东西(用完的助推器残骸),万一这些东西砸到人怎么办?

每次火箭发射前,在火箭飞行途径的下方,航天专家总是要提前计算出这些残骸最可能的落点,并发布火箭残骸落区疏散通知疏散当地民众,尽量保证不造成人员伤亡和重大财产损失。我们也时不时可以看到某地房屋被从天而降的巨大物件砸坏的新闻。

尽管如此,还是有出现计划外情况的风险,疏散行动也会影响人民群众的正常生产生活。

为了解决这2个问题,经过十几年论证和评估,2009年9月,国务院、中央军委批准文昌航天发射场破土动工。2014年10月,文昌航天发射场基本竣工。

文昌发射场最大的特点就是地处海南岛最东端的海边,新一代长征系列火箭在同样靠近海边的天津“大火箭”中心制造完成后,只需短暂的陆运,就可在天津港上船,经过5-7天约1800海里的航行,在海南省清澜港西码头上岸,再通过公路运往火箭水平转载准备厂房。

众所周知,利用水的浮力,海运的运量比所有陆上运输工具都大得多,一望无际的大海也成为四通八达的天然航道,不像火车、汽车受轨道、道路和地形的限制,通过能力很强;同时,火箭在海边发射,主要飞行轨迹都在大海这个无人区的上空,基本不用担心砸伤花花草草的事情,完美解决了以上问题。

但海上发射还有一个文昌发射场无法比拟的优势,那就是可以去赤道附近发射火箭。

地球是围绕着地轴不断自转的球,很显然,越靠近赤道的地方离地轴越远,旋转半径就越大,那一点上的线速度也越快。

而地球的自转速度,实际上为火箭提供了起飞后一个顺着自转方向的初速度。那么,纬度越低,从地球“借”到的初始速度越大,火箭需要达到目标速度所需的推进剂燃料就越少,从而火箭的运载能力得以提高。

同时,根据 SIA(美国卫星产业协会)数据,截至2018年底,全球共有在轨卫星2092颗,其中通信卫星、遥感卫星、导航卫星的占比分别为40%、26%、6%。到2019年,全球共发射505颗卫星,其中通信卫星、遥感卫星、导航卫星的占比分别为33%、22%、3%。

很明显,无论是现存还是新发射卫星,通信卫星和遥感卫星都是主要对象。

这2种卫星的主要轨道是地球静止轨道,这是一种特殊的地球同步轨道。和普通地球同步轨道一样,该轨道上的卫星运动和地球是同步的,方向一样、周期一样,可以很方便地“死盯”一块地方。

地球静止轨道的特殊之处在于,其轨道倾角为0,也就是它在轨道上划出的圆和赤道所在的圆处于同一平面上,卫星永远在赤道上方的某点,和地球是相对静止的。

既然轨道在赤道正上方,要发射这种卫星,自然是离赤道越近越好,这里发射上去的火箭卫星可以直接入轨,不需要像高纬度地区那样进行繁琐的变轨。

文昌发射场已经是我国纬度最低的反射场,但仍位于北纬19度左右,地球静止轨道卫星无法直接入轨,因此为未来把火箭拖到赤道上发射做好准备是应该的。

发射场

(全球陆上发射场分布位置,低纬度发射场很少)

前面说美国放弃了海上发射的研究,是因为他们在赤道地区本来就有许多军事基地,偶尔可以充当发射场用。而俄罗斯领土都在高纬度地区,也没有赤道军事基地,最低纬度的发射场还是在北纬46度的哈萨克斯坦拜科努尔航天发射场,对于海上发射的迫切可想而知。

固体还    是液体?

这次发射还有一个比较特殊的地方——发射的是固体火箭,长征十一号也是长征系列中第1款固体火箭。

所谓固体火箭,就是采用固体燃料的火箭。有固体火箭,自然也有液体火箭。两者最根本的差别就在推进剂的物态上。不过,这一差别看似简单,但实际上造成采用2条不同技术路线火箭,从设计到使用上方方面面都有不同。

简单来说,液体火箭本身是一台精密的机器,它将液体的氧化剂和还原剂分开装载,然后通过复杂的管道和机械系统,将其按比例在燃烧室中混合,再经过设计好的喷射机构喷出,用反作用力推动火箭上升。

固体火箭更简单,它就是把氧化剂还原剂加上一些其他物质混在一起,做成固体推进剂塞满整根火箭,随后点火,固体推进剂直接在火箭内部(药室)燃烧,通过设计好的喷射机构喷出,用反作用力推动火箭上升。

相较于液体火箭,固体火箭的结构可以称得上“简陋”。不知道有多少人小时候玩过“窜天猴”,固体火箭实际上可以看作是“窜天猴”的放大改进版本。

去年底长征五号遥三火箭成功发射时,前瞻经济学人曾发布过文章《一文详解:比起美俄日欧,“长征五号”在世界上到底是什么水平?》,横向对比了全球各国最顶级的火箭数据。细心读者想必回发现,那些火箭全都是液体火箭,这是为什么呢?

衡量火箭好不好,通常有两大指标——推力和比冲。

推力就是推动火箭上升的力。在起飞初期,火箭受到地球引力的束缚,必须保证推力>重力才能离开地面,因此推力是个关键指标。

而比冲是个更加综合的效率指标,它反映的是“1公斤燃料可以提供1公斤推力多长时间”,总的来说,它可以用来判断火箭的加速时间和最终速度。

关于推力和比冲的关系,可以简单理解成,推力决定有多重的东西可以飞离地球,比冲决定它能飞多远。在火箭远离地球后,比冲是比推力更重要的指标。

影响比冲、推力的因素有很多,其中推进剂材料是非常重要的。固体火箭的问题就在于,能用作固体燃料的物质,能量都不太高,导致现有的固体燃料组合比冲都比较低。从下图中可以看出,固体燃料组合(红色)的海平面比冲都不高,远低于当前以液氢燃料组合(蓝色)为主流的液体火箭:

液体

这就是固体燃料的问题所在,虽然其可以在短时间内提供大量推力,但是比冲低这一致命问题,基本使之告别当前太空竞争的前沿——深空飞行任务了。爆发力强、持续时间短的火箭并不是好的选择,有志于角逐宇宙的国家,主要还是在发展液体火箭。

但是,固体火箭也有一个关键优点——发射准备时间极短。

目前液体火箭推进剂有2种主流路线,一种是传统的“毒发”路线,也就是使用肼类燃料加四氧化二氮氧化剂的火箭,比如我国老一代长征火箭使用的偏二甲肼加四氧化二氮组合;还有一种是“液氢液氧”的干净路线。

这2类组合都存在缺陷,前者是非常活跃的组合,偏二甲肼在接触到四氧化二氮后,根本不用点火,就会剧烈燃烧起来。而且不仅仅是四氧化二氮,偏二甲肼甚至会和空气中的氧气接触起火燃烧。

不仅如此,偏二甲肼还有剧毒,它本身具有高强致癌性,而且万一泄露到大气中,还会生成更为持久、致癌性更强的亚硝基二甲胺。这也是其被称为“毒发”的原因。

相较而言,目前主流的液氢液氧发动机无毒无害,燃烧生成的产物就是水,是非常环保的燃料组合。但是这不代表它是什么简单角色。

液氢的沸点是-252.78℃,从离开保温设备那一刻起,它就在不停地蒸发,因此要不断向火箭内补充。于此同时,关注燃料的速度还不能太快,以避免储存罐内液氢挥发地太多,使罐内压力过大。

作为氧化剂的液氧也一样,其沸点为-182.96 °C,同样需要细心照顾。而且它与液氢之间70℃的温差,决定二者不能接触太久,并且还需隔热设备。

以上原因导致,液体火箭的燃料灌注异常精细且麻烦,尤其是液氢液氧,因为低沸点,必须在发射前几个小时才开始灌注。2016年,我国长征七号火箭曾创下低温燃料加注停放纪录,但他们实现的仅仅是停放24小时而已,可见液体燃料加注程序的麻烦。

与此同时,液体火箭还存在非常复杂的内部结构,这意味着前期检查工作的繁复。

以上种种,使得液体火箭的发射周期非常长,也给固体火箭带来了机会。

固体火箭的推动剂是早已混合好的,在工厂里,燃料和氧化剂颗粒就已经被固定火箭中,到发射场后只需要进行简单测试就可以发射了,非常简单省事,也节省时间。本次长征十一号发射,官方称准备时间只需24小时,准备周期越短,意味着快速反应能力越强。

与此同时,不像液体燃料要么有毒要么易挥发,固体火箭推进剂性质稳定,在火箭里浇筑推进剂就像浇筑水泥一样,固化后就是得到一个“水泥”柱子,可以保存数年时间。期间要用时,只需拿出来略微检查一下,就可以发射了。

发射快这个优点,这在平时可能显现不出来,但是到一些特殊状态下,它就非常有用。首先是像开头所说的国防意义,火箭和导弹具有很大程度的技术通用性。

其次,以定位导航卫星为例,全球卫星定位系统需要多个卫星组网才能实现导航定位,一旦部分卫星失效,可能会波及整个导航系统,使得许许多多依赖于卫星导航的行动无法进行。

这时候,一个可以灵活反应的火箭,及时将卫星发射到太空中补网,说不定就能在关键时刻力挽狂澜。

此外,虽然固体火箭无法单独参与大型深空项目,但近年来,全球范围内500公斤以下小卫星的发射需求飞速增长,很多小卫星都在寻找搭载的机会,因此固体火箭也迎来了新的春天。

补课

就目前而言,中国在固体火箭应用方面还落后于主流的航天玩家,比如美国、日本等,这主要是因为缺乏大直径大推力固体火箭发动机所致。先来看看世界范围内顶尖的固体火箭发动机数据:固体

很遗憾地看到,这个表单中并没有中国的身影。原因也很简单,固体火箭的推力来源于内部燃料的燃烧。只要外壳能承受住压力,同样的燃料,瞬间燃烧越多,产生的能量就越大。而要瞬间燃烧大量燃料,首先得装得下这么多燃料。也就是说,固体火箭的推力和直径基本上是呈正相关关系的。

可以看到,表格中的固体火箭都是直径3米以上的。然而到目前为止,我国无论是航天科工的快舟、开拓系列,还是航天科技的长征十一号,基本都是沿用弹道导弹技术的直径2米以下固体发动机。

不过,这很大程度上并不是技术水平限制,而是路线选择的问题。

我国航天技术起步时,世界两大航天强国苏联和美国走得均是液体火箭道路,我国也摸着石头过河,走上了这条道路,并逐渐形成了成熟的“毒发”体系,包括早期火箭的助推器也是用的液体燃料发动机。

后来美国和苏联展开太空竞争,出于发射大型航天器的需要,苏联在液氧煤油发动机的道路上大踏步向前,至今其技术仍傲视全球,美国则开始研究固体火箭,利用其推力大的特性作为助推器使用。

我国由于长期没有发射大型航天器的需要,因此也就一直沿用旧的技术路线发展了下来。

要说明的是,我国并不是没有发展固体火箭,只是没有发展大型固体火箭和大型助推器,实际上我国有一个庞大的FG系列固体火箭末级家族,其技术并不比美欧差太多。

目前,国内过去那种固体火箭不受重视的观点逐渐销声匿迹。在新一代火箭计划中,原定于今年底首飞的长征六号甲确定采用2米两段式、推力1214千牛的固体助推器方案,成为我国首型固液结合火箭。

2016年,航天科技集团四院完成了直径3米、两段式、推力150吨的固体火箭发动机地面试验,随后又完成了推力200吨先进固体火箭发动机地面热试车,表明我国已初步具备直径3米级大型分段式固体火箭发动机的研制基础和能力。

最新消息是去年4月,航天科工集团四院的500吨级固体火箭(减装药状态)地面试车取得圆满成功,其直径超过4.2米。这预示着我国可能很快将加入全球顶级固体火箭发动机俱乐部,并一举超过印度和欧洲。

此外,我国突破500吨固体燃料发动机,意味着足以做出单个300-400吨级重的大型固体燃料火箭,较现在的长征十一高出1个数量级。


(前瞻网)

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