不止探月?还要火星取样!火箭设计师详解“长五”未来升级计划!

说宇宙寻真理 2024-07-31 12:40:44

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近年来,我国在航天领域取得了显著成就,其中最令人振奋的莫过于嫦娥五号成功登月取土和天问一号顺利抵达火星。

这些壮举不仅展示了我国航天技术的快速发展,更离不开背后默默奉献的功臣——长征五号。

作为中国火箭技术的代表和中国最强大的火箭之一,长征五号有着什么样的特色?它和我国其他的火箭相比,又有什么过人之处?

长征五号的特色

首先是在外观上,长征五号摒弃了以往传统火箭的瘦长体型,而是以一副“白胖胖”的庞然大物体型出现在众人面前,它是我国首型5米直径的大推力运载火箭。

根据官方给出的数据可知,长征五号长度将近60米,最厉害的是它的芯极直径,达到了5米。

另外,它身上还携带了4个助推器,每一个助推直径直达3.35米,光是四个助推器能起到的效果就很厉害了,再配上自身的芯极,长征五号“举重能力”那可是“杠杠”的。

作为一个“火箭中的胖子”,长征五号能够凭借878吨的起飞重量、超过1000吨的起飞推力,能将25吨载荷送到近地轨道,这就相当于它可以同时将50头成年奶牛送往太空。

除此之外,它还可以将14吨载荷送到地球同步转移轨道,相当于可以一次性承担280只非洲象的重量。因此它也成为目前我国火箭中的“运载能力之王”。

长征五号除了巨大的体积外,还拥有先进的超级推进系统。

其核心的芯极发动机采用液氢和液氧作为燃料,这些燃料需要在极低的温度下运输和存储,液氢的温度为-253°C,液氧的温度为-183°C,远低于水的冰点温度。

一旦启动,这些新型的发动机能够产生超过3000度的高温火焰,形成了“冰火两重天”的对比。这种组合能够提高火箭的推力和效率,从而能让火箭将目标物送入更高的轨道。

而且,正因为长征五号的发动机内将近90%的都是液氢液氧,便有了“冰箭”这一霸气名称。

当然,霸气的背后也凝聚了无数人的辛苦结果。要让它达到“冰箭”的效果,制作过程可谓是相当难。

因为液氢液氧作为液体,在储箱中容易变为气体挥发,导致储箱压力过大,所以工作团队需要在整个加注过程中需要同时进行排放废气和补充地风升凝剂。

在液体燃料被加入到储罐后,由于不断受热蒸发,其总量会逐渐减少。因此,保障团队在发射场进行加注时,通常会按顺序先加入煤油,接着加液氧,最后再加液氢。煤油推进剂的加注工作需在发射前一天完成,而液氢和液氧的加注则要等到发射当天进行。

而且,低温燃料加完了之后也不是就好了,工作人员还得进行多次补加,确保它一直处于一个液位状态。

就算是用文字来描述,也能够想到这是个极为复杂的过程。但是,尽管科研人员面临着众多挑战和麻烦,但采用这样发动机也是好处多多。

首先,这是一种无污染的方式,液氧和煤油都是环保燃料,而且易于存贮和运输;其次,从经济角度来看,这样的推进剂要比常规发动机的便宜60%;最后,这种方式能提供巨大的推力,使其成为中国推力最大的液体推进剂发动机。

该发动机采用了全球最先进的高压补燃循环系统,具有高性能的特点,其设计参数在最大压力、涡轮功率和推进剂流量等方面,比中国现役主力发动机高出数倍。

最关键的莫过于这样的发动机具备重复使用的能力,试车后仍然可以用于发射,不需要每次测试都报废一台昂贵的发动机。

要知道,之前这样的发动机曾被外国专家认为中国不可能制作出来。因此从另一个角度来说,这样的发动机也见证了中国航天科技技术的进步与文化自信,堪称一个巨大的奇迹。

长征五号与其他“兄弟们”的不同之处

长征五号和其他长征家族中的火箭相比,有什么不同的地方呢?

首先它是我国目前拥有的最大推力和最大运载能力的运载火箭,还拥有强大的绿色环保的新型火箭发动机。

长征五号的液氢液氧发动机,是中国首台地面启动直接进入轨道的大推力高性能发动机。

这项技术也让中国成为继苏联之后第二个掌握高压补燃循环液氧煤油发动机技术的国家,推动了绿色无毒燃料技术的发展,并在航天领域取得了重大进展。

另外,正如上文所提到的,在研发过程中,长征五号采用了高科技——全数字化仿真设计技术,使得研制的模拟过程更加真实准确,降低错误率的同时也节省成本。所以我们平时所看到的成功,都是通过多次反复的测试和验证确保的。

可以说,这是一次火箭与时代最新技术相结合的成功案例。

据说,作为新一代火箭的奠基之作,长征五号应用的先进核心技术高达了240多项,让人惊叹。

另外,长征五号也有自己的“双胞胎哥们”——长征五号B。为什么说是“双胞胎”呢?这是因为它们都一样“胖”、“像”、有着“冰箭”的特征,浑身上下都是满满的“黑科技”。

但是再像的东西,也有不同之处,长征五号B采用了“一级半”的设计,仅需使用“核心级、助推器和整流罩”,没有太多花里胡哨的东西,只是通过较少的装备便可直接将飞船送入轨道,操作简单而高效。

在整流罩上,比起长征五号的12.5米,长征五号B更是达到了惊人的20.5米,拥有了我国目前最大的火箭整流罩。

当然,“术业有专攻”,它们的用途和擅长的领域也是不一样的。

长征五号主要用于,将高轨道的大型卫星和深空探测器送入空间站,而长征五号B则专注于,将近地轨道的大型卫星和飞船成功送入预定轨道。

长征五号在未来的改进有哪些

尽管长征五号已经取得了许多显著成就,但它还能够挖掘出更多的机会与潜力。

本月,中国航天科技集团一院长征二号F运载火箭总设计师容易表示,在未来长征五号运载火箭未来将执行探月工程四期发射任务,甚至还会到火星取样返回和执行更多的行星探测任务。

另外,根据中国航天官方透露,2024年长五计划发射4次,目前已经完成了一次;2025年计划发射5次;2026年还没公开,但至少也有一次嫦娥七号的任务。

这意味着,在未来三年内,长征五号将执行超过十次的太空发射任务,它肩负了巨大的责任和希望。

要能够实现这些任务与目标,长征五号在未来需要进行更多的改变。

火箭设计师朱海洋表示,他们在后面会研制更大直径的整流罩,为后续的深空探测提供一个较为舒适的条件。

虽然说现有的长征五号的基本需求都已经满足了,但因为后面的一些任务,包括嫦娥六号后面的任务,它们对直径的要求会更高。

所以最大的变化在于整流罩的直径上,除了整流罩以外,朱海洋老师也表示,在经历了多次飞行任务后,他们对系统性偏差的认识将会有更深入的探索,以提高火箭的运载能力。

另外,随着火箭技术状态的不断固化、以及发射次数的增加,发射场地也需要进行优化。在后面会开展各个流程的优化、缩短发射周期等工作。

所要做的任务都有:优化发射场测试项目;优化产品卸船、转载、箭体恢复等箭体吊装前准备工作;优化对接流程;优化推进剂加注流程,采用异种推进剂并行加注方案;并减少发射场保留工序等。

在经过这些流程优化后,发射场测发流程至少可减少10~15天,既提升了效率又降低了成本。

此外,在前期,长征五号火箭已经开始了针对发动机故障的适应性和容错改进设计工作,未来将逐步进行相关技术改进的飞行验证和工程应用。

总体而言,长征五号将结合运载火箭技术的最新发展,持续进行改进和优化,不断提升火箭的任务适应性、飞行可靠性和安全性,力争成为中国乃至全球顶尖的金牌火箭。

信息来源:

知乎 【技术·航天】长征五号系列运载火箭研制应用分析及未来展望

知乎 中国长征系列运载火箭详细全解析

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