H-2B的LE-7氫氧機采用分級燃燒循環,推力、比沖、循環方式均超過YF-77。
由于并聯兩臺發動機,我們能夠很明顯地看到芯級有兩個噴管,但需要注明的是,不是說火箭有幾個噴管就裝了幾臺發動機。因為有的發動機是多燃燒室發動機,例如RD-180是雙燃燒室發動機,一臺發動機有兩個燃燒室,兩個噴管。而長征-5的YF-77則是典型的單燃燒室發動機,所以確實是一個噴管對應了一臺發動機。
長征-5號芯級周圍捆綁4個3.35米的助推器,每個助推器安裝兩臺地面推力120噸的YF-100高壓補燃循環的液氧煤油發動機(以下簡稱煤油機)。該發動機是中國在吸收了俄羅斯RD-120高壓補燃煤油機相關技術后,歷經多年研制成功的。此前在長征-6號和長征-7號上經歷了多次考驗。
第二級發動機則是并聯兩臺推力各為9噸的膨脹循環YF-75D氫氧機。他是在之前的YF-75燃氣發生器循環氫氧機的基礎上改進研制的,比沖更高,對于較小推力的二級發動機來說,循環方式更科學。
YF-75D發動機采用閉式膨脹循環方式,單臺真空推力9噸,在長征五號上兩臺并聯使用。
長征-5的剖視圖
由于發動機推力小,其一級總共有10臺發動機(2臺YF-77和8臺YF-100),芯級兩臺發動機并聯的地面推力也只有約100噸,遠遠低于任何一臺助推器的推力(約240噸),在起飛推力中貢獻最小。可以說,長征-5號是靠著捆綁的助推器推上天的。
其芯級的推質比小于1,芯級自己飛不起來,而且差的比較多。此前的中國的長征二號、長征三號系列,助推器也只是起到錦上添花的作用,不用助推器光靠芯級也是能上天的,只不過載荷小點。很多經典火箭的芯級推質比都是大于一的,比如美國的阿特拉斯(宇宙神)、德爾塔,它們通過捆綁不同的助推器,實現非常靈活的構型,將但范圍載荷送入不同軌道。日本的H-2B運載火箭芯級推質比也不到1,但情況好些。其總重為總重量531噸(除有效載荷),其固體助推器單臺重量76.6噸(真空推力1750千牛),也就是說芯級重量大約230噸,而其芯級的兩臺LE-7發動機的真空總推力大約224噸(當然海平面推力會低一些)。
這樣,長征-5的一級總共安裝了10臺發動機,這從一定程度上降低了整體的可靠性。傳統的設計觀點認為,并聯發動機越多,可靠性越差。為了簡化起見,假設兩臺可靠性為0.9的發動機,將其簡單并聯在一起總體可靠性就降低為0.81。所以傳統的火箭設計思想比較忌諱并聯太多的發動機。蘇聯當年的N-1登月火箭幾次發射全部失敗,并聯的發動機太多也是一個重要因素,這種火箭的一級并聯了30臺NK-33火箭發動機。
當然,這一定律在美國SpaceX公司的“獵鷹9”號運載火箭誕生后被顛覆了。該火箭的一級采用了9臺“默林1D”發動機,但是火箭的整體可靠性卻非常高。按照該公司的宣傳,火箭起飛后如果其中一臺發動機出現問題、90秒鐘后兩臺發動機故障都不影響發射,因為其他發動機可以多輸出功率,來彌補這一兩臺發動機的動力損失,所以整體可靠性反而有大幅度的升高?!矮C鷹9”之所以具備這項“神技”,主要原因是其渦輪泵可以在大范圍內調節,這樣其火箭發動機推力的調節范圍就非常大。想一想,它能靠著自己的火箭發動機垂直返回,就知道其推力調節范圍之大和敏捷度之高了。當然,這種動力冗余技術可能會帶來成本升高,本來8臺能干的事讓9臺發動機來干,似乎是多了一些死重。但是對于“獵鷹9”來說這又不是問題,因為它的一級是可以回收再利用的。
美國的獵鷹9的芯一級雖然使用了多達9臺發動機,但火箭起飛后如果其中一臺發動機出現問題、90秒鐘后兩臺發動機故障都不影響發射。
目前,推力調節能力也是目前主流運載火箭的一種必備技能。但是在上一代長征火箭不具備這種能力。而長征-5號和長征-7號的發動機已經具備了一定范圍內的推力調節能力。但是這似乎并不能像“獵鷹-9”那樣用來提高其可靠性。因為長征-5號運載火箭彈4個助推器的液氧和煤油儲箱是獨立的,一旦有一個助推器發生問題,即便其他發動機通過提高自身推力來彌補,但是這些燃料是無法共享的。
即便如此,長征-5號的設計可靠性仍然是非常高的。長征五號的核心控制儀器普遍采用了三余度技術,也就是有3個相同的設備儀器相互備份。中國現役火箭的設計可靠性最高的是0.97,而長征-5號整箭設計可靠性達到了0.98,而其氫氧發動機的可靠性則高達0.9898,當然這都是理論值,而且不等同于發射成功率。
轉載請注明:北緯40° » 長征五號運載火箭在國際上處于什么水平?