H-2B的LE-7氫氧機(jī)采用分級(jí)燃燒循環(huán),推力、比沖、循環(huán)方式均超過(guò)YF-77。
由于并聯(lián)兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),我們能夠很明顯地看到芯級(jí)有兩個(gè)噴管,但需要注明的是,不是說(shuō)火箭有幾個(gè)噴管就裝了幾臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。因?yàn)橛械陌l(fā)動(dòng)機(jī)是多燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī),例如RD-180是雙燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī),一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)有兩個(gè)燃燒室,兩個(gè)噴管。而長(zhǎng)征-5的YF-77則是典型的單燃燒室發(fā)動(dòng)機(jī),所以確實(shí)是一個(gè)噴管對(duì)應(yīng)了一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。
長(zhǎng)征-5號(hào)芯級(jí)周圍捆綁4個(gè)3.35米的助推器,每個(gè)助推器安裝兩臺(tái)地面推力120噸的YF-100高壓補(bǔ)燃循環(huán)的液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)(以下簡(jiǎn)稱煤油機(jī))。該發(fā)動(dòng)機(jī)是中國(guó)在吸收了俄羅斯RD-120高壓補(bǔ)燃煤油機(jī)相關(guān)技術(shù)后,歷經(jīng)多年研制成功的。此前在長(zhǎng)征-6號(hào)和長(zhǎng)征-7號(hào)上經(jīng)歷了多次考驗(yàn)。
第二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)則是并聯(lián)兩臺(tái)推力各為9噸的膨脹循環(huán)YF-75D氫氧機(jī)。他是在之前的YF-75燃?xì)獍l(fā)生器循環(huán)氫氧機(jī)的基礎(chǔ)上改進(jìn)研制的,比沖更高,對(duì)于較小推力的二級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)說(shuō),循環(huán)方式更科學(xué)。
YF-75D發(fā)動(dòng)機(jī)采用閉式膨脹循環(huán)方式,單臺(tái)真空推力9噸,在長(zhǎng)征五號(hào)上兩臺(tái)并聯(lián)使用。
長(zhǎng)征-5的剖視圖
由于發(fā)動(dòng)機(jī)推力小,其一級(jí)總共有10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)(2臺(tái)YF-77和8臺(tái)YF-100),芯級(jí)兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)并聯(lián)的地面推力也只有約100噸,遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于任何一臺(tái)助推器的推力(約240噸),在起飛推力中貢獻(xiàn)最小。可以說(shuō),長(zhǎng)征-5號(hào)是靠著捆綁的助推器推上天的。
其芯級(jí)的推質(zhì)比小于1,芯級(jí)自己飛不起來(lái),而且差的比較多。此前的中國(guó)的長(zhǎng)征二號(hào)、長(zhǎng)征三號(hào)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(jí)也是能上天的,只不過(guò)載荷小點(diǎn)。很多經(jīng)典火箭的芯級(jí)推質(zhì)比都是大于一的,比如美國(guó)的阿特拉斯(宇宙神)、德?tīng)査鼈兺ㄟ^(guò)捆綁不同的助推器,實(shí)現(xiàn)非常靈活的構(gòu)型,將但范圍載荷送入不同軌道。日本的H-2B運(yùn)載火箭芯級(jí)推質(zhì)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(tái)重量76.6噸(真空推力1750千牛),也就是說(shuō)芯級(jí)重量大約230噸,而其芯級(jí)的兩臺(tái)LE-7發(fā)動(dòng)機(jī)的真空總推力大約224噸(當(dāng)然海平面推力會(huì)低一些)。
這樣,長(zhǎng)征-5的一級(jí)總共安裝了10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),這從一定程度上降低了整體的可靠性。傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)觀點(diǎn)認(rèn)為,并聯(lián)發(fā)動(dòng)機(jī)越多,可靠性越差。為了簡(jiǎn)化起見(jiàn),假設(shè)兩臺(tái)可靠性為0.9的發(fā)動(dòng)機(jī),將其簡(jiǎn)單并聯(lián)在一起總體可靠性就降低為0.81。所以傳統(tǒng)的火箭設(shè)計(jì)思想比較忌諱并聯(lián)太多的發(fā)動(dòng)機(jī)。蘇聯(lián)當(dāng)年的N-1登月火箭幾次發(fā)射全部失敗,并聯(lián)的發(fā)動(dòng)機(jī)太多也是一個(gè)重要因素,這種火箭的一級(jí)并聯(lián)了30臺(tái)NK-33火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。
當(dāng)然,這一定律在美國(guó)SpaceX公司的“獵鷹9”號(hào)運(yùn)載火箭誕生后被顛覆了。該火箭的一級(jí)采用了9臺(tái)“默林1D”發(fā)動(dòng)機(jī),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(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題、90秒鐘后兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障都不影響發(fā)射,因?yàn)槠渌l(fā)動(dòng)機(jī)可以多輸出功率,來(lái)彌補(bǔ)這一兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)的動(dòng)力損失,所以整體可靠性反而有大幅度的升高。“獵鷹9”之所以具備這項(xiàng)“神技”,主要原因是其渦輪泵可以在大范圍內(nèi)調(diào)節(jié),這樣其火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力的調(diào)節(jié)范圍就非常大。想一想,它能靠著自己的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)垂直返回,就知道其推力調(diào)節(jié)范圍之大和敏捷度之高了。當(dāng)然,這種動(dòng)力冗余技術(shù)可能會(huì)帶來(lái)成本升高,本來(lái)8臺(tái)能干的事讓9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)來(lái)干,似乎是多了一些死重。但是對(duì)于“獵鷹9”來(lái)說(shuō)這又不是問(wèn)題,因?yàn)樗囊患?jí)是可以回收再利用的。
美國(guó)的獵鷹9的芯一級(jí)雖然使用了多達(dá)9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),但火箭起飛后如果其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題、90秒鐘后兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障都不影響發(fā)射。
目前,推力調(diào)節(jié)能力也是目前主流運(yùn)載火箭的一種必備技能。但是在上一代長(zhǎng)征火箭不具備這種能力。而長(zhǎng)征-5號(hào)和長(zhǎng)征-7號(hào)的發(fā)動(dòng)機(jī)已經(jīng)具備了一定范圍內(nèi)的推力調(diào)節(jié)能力。但是這似乎并不能像“獵鷹-9”那樣用來(lái)提高其可靠性。因?yàn)殚L(zhǎng)征-5號(hào)運(yùn)載火箭彈4個(gè)助推器的液氧和煤油儲(chǔ)箱是獨(dú)立的,一旦有一個(gè)助推器發(fā)生問(wèn)題,即便其他發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)提高自身推力來(lái)彌補(bǔ),但是這些燃料是無(wú)法共享的。
即便如此,長(zhǎng)征-5號(hào)的設(shè)計(jì)可靠性仍然是非常高的。長(zhǎng)征五號(hào)的核心控制儀器普遍采用了三余度技術(shù),也就是有3個(gè)相同的設(shè)備儀器相互備份。中國(guó)現(xiàn)役火箭的設(shè)計(jì)可靠性最高的是0.97,而長(zhǎng)征-5號(hào)整箭設(shè)計(jì)可靠性達(dá)到了0.98,而其氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)的可靠性則高達(dá)0.9898,當(dāng)然這都是理論值,而且不等同于發(fā)射成功率。
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采用分級(jí)燃燒循環(huán),推力、比沖、循環(huán)方式均超過(guò)YF-77。.jpg)
動(dòng)機(jī)采用閉式膨脹循環(huán)方式,單臺(tái)真空推力9噸,在長(zhǎng)征五號(hào)上兩臺(tái)并聯(lián)使用。.jpg)
征-5的剖視圖.jpg)
的獵鷹9的芯一級(jí)雖然使用了多達(dá)9臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī),但火箭起飛后如果其中一臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)出現(xiàn)問(wèn)題、90秒鐘后兩臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)故障都不影響發(fā)射。.jpg)