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中国造出世界最粗火箭发动机:直径过4米,能把重型坦克送入太空

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科罗廖夫 2020-02-27 12:54

据媒体报道,由中国航天科工集团有限公司所属的武汉航天三江集团(又称航天科工集团四院)自主研制的500吨级推力商业航天固体运载火箭(第一级,减装药状态)地面试车取得圆满成功,标志着我国大推力、高质量比固体运载火箭关键技术取得重大突破。据悉,该固体运载火箭是当前我国直径最大、推力最大的固体运载火箭。直径超过4.2米,刷新了商业固体火箭发动机直径的世界纪录,居于世界领先水平。

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这种500吨推力级第一级固体运载火箭发动机 ,可以把快舟系列火箭的近地轨道运载能力,由快舟11号的1吨级,提高至快舟21号的20吨级,在进行多发500吨推力级固体火箭发动机并联改装后的快舟-31固体运载火箭近地轨道最大运载能力将达到70吨,这相当于把一辆重型坦克发射到太空。
火箭发动机属喷气发动机的一种,和战机的发动机从原理上并没有多少区别,只不过被用在火箭这种大型航天器或者导弹上。火箭的原理大部分都是依靠排出高温高速的尾部气体来获得推力的,而最重要的一环就是燃料和氧化剂在燃烧室中的剧烈燃烧,但事实上燃料也分固体和液体两种,这也就导致有液体火箭和固体火箭两种火箭版本。那么这两种火箭分别有什么其它区别呢?发射火箭时,又该凭借什么来选择发动机的种类呢?

首先说固体火箭发动机,这种发动机的助推剂(即燃料和氧化剂的混合体)是以固体的形式被直接储存在火箭发动机里的,不需要额外的燃料槽,也更加不需要输送和加压的管线,所以这就直接导致固体火箭的结构相比于液体火箭而言更加简单,重量也更加轻盈,适合小型火箭,事实上目前在役的中小型火箭中,绝大部分都采用固体火箭发动机。

例如长征11号火箭是我国长征运载火箭家族中的第一种固体运载火箭,属于快速响应机动固体火箭,跟普通的需要在发射塔上起飞的运载火箭完全不同。和液体可以随意改变接触量不同,固体火箭发动机的燃料和氧化剂的量其实在制造的时候就已经被限制死,所以火箭很难改变燃烧状态以及中断燃烧进程。这些特点就使得固体火箭已经启动就压根不需要考虑停止,所以成本和发射难度都非常低,一些小型军事武器用户和低轨道微型卫星的发射承包商都十分青睐搞固体火箭。

固体火箭是一个固体的药柱,不像液体燃料会挥发,也没有腐蚀性,因此保存时间可长达数年之久。不需要经常维护,更换燃料的频率也远长于液体火箭,且对外界极端条件的忍受能力也更强。一个直接的例子就是固体火箭在长途运输中不需要额外的防护,装上火车或者汽车就可以跑了,而液体火箭更为娇贵,需要小心磕着碰着,一点轻微的外界震荡甚至会让液体火箭直接报废。

但固体火箭发动机的缺点也十分明显,那就是工作时间太短,很难将比较重的货物送入太空轨道,乃至超过第一宇宙速度。一般固体火箭发动机的对冲时间不会超过300秒,这就注定了固体火箭不会飞得太远。

而液体火箭发动机,则是采用液态燃料和氧化剂混合燃烧作为能量来源的火箭发动机,一般结构复杂,基本组成包括推力室、推进剂供应系统和发动机操控系统,和固体火箭发动机相比要精密得多。平时用于燃烧的液体助推剂储存在推进剂贮藏室里,但发动机开始工作的时候,推进剂供应系统开始下达指令,要求按照特定的压力和流量输送推进剂到燃烧室中,经过一系列的雾化、混合和点燃燃烧后,产生大量的高温高压气体,经过喷管加速至超音速后排出,产生的推力比固体火箭发动机更强。

常见的液体推进剂搭配无非就那么几种,比如说液氢和液氧、烷烃和液氧、偏二甲肼和四氧化二氮等组合都是液体火箭发动机的常用选择。

如今大型运载火箭的第、二级发动机大部分都采用液体火箭发动机,另外几乎所有的控制用小推力火箭发动机也都采用这类发动机。原因是它的优势十分明显,更长的比冲和可控性使得火箭能够使用的更久、飞得更远,外加推力强大、工作环境适应性高,绝对是大型火箭的不二之选。

火箭的存储周期也是一个重要的指标。对于液体运载火箭而言,由于使用液态推进剂,存在着易挥发、腐蚀等风险,需要在临发射之前加注。加注完成后,必须在一定的时间内发射出去。例如我国运载火箭使用的常温推进剂为四氧化二氮和偏二甲肼,它们加注后存储周期大概在7天左右;还有低温推进剂为液氢、液氧,它们加注后的存储周期是1天左右。

液体火箭发动机维护成本高,零部件较多,结构复杂,并不是所有国家都能掌握这类火箭的核心技术。中国航天核心运载火箭——长征系列从1974年的长征二号到2016年的长征七号,使用的都是液体火箭发动机,采用的基本也是四氧化二氮+偏二甲肼的经典助推剂配方,不过从长征六号到还在论证的长征九号火箭,推进剂已经换成了液氧+煤油。

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