中国载人登月技术再突破!全新火箭即将面世,性能远超美国火箭

2021-10-23 19:26:24 史秘师

月球上工作,工资会高吗?虽然我们还没有实现月球移民,但是月球上的矿产丰富,遍地是“黄金”。所以大国争相探索月球,并加快布局,尽快在月球建设实验基地。不过想要在月球上发家致富也不容易,开发月球资源对于技术和资金要求都极高,世界来看主要竞争对手只有兔子和鹰。两国相继公布了自己的月球发展计划,随即中国又公布了新一代载人重型火箭。兔子和鹰在火箭角力,谁能占据上风?

中国新一代火箭有多牛?

近几年,中国长征系列火箭可谓是百花齐放,长征五号、长征七号、长征八号、长征十一号等系列火箭层出不穷,协助中国航天完成了“嫦娥登月”、“祝融访火”、“人造天宫”等多个史诗级项目,让众多国人打呼过瘾,自豪感那是油然而生。

航天项目可以说关系着人类未来命运,因为地球的资源比起外太空,说是九牛一毛不为过。就拿月球资源来说,虽然我们的探索依旧处于初级阶段,采样也只是月球浅表层的资源,但是月球浅表层我们就发现了铁钛矿资源储量大约是1000-2000万亿吨。

钛合金大家耳熟能详,因为钛合金的强度高,但密度却小。与此同时钛合金的机械性、韧性和抗蚀性都十分出色,被广泛应用于航天等重要项目当中,但是钛合金的价格不菲,原因是在地球储量不多,但是钛在月球缺如白菜一般常见。

除此之外月全球还有铝、钾、磷等一百多种矿物,尤其是月球的铀和钍两种元素储量不菲。而且铀和钍都是核电项目的重要原材料,近期我国的第四代钍盐基核电实验核电项目,已经在我国甘肃地区进行临界测试。相关的内容我已经在第四代核电技术的那期详细讲过,感兴趣的小伙伴可以往前翻翻。

各大国都想尽快在月球安营扎寨,建立月球移民站。但是目前人类前往月球的设备只有火箭,而重型火箭对于技术要求较高。在其之前相关技术被美俄垄断,现如今我们首款载人重型火箭呼之欲出,全新的火箭能给我们带来哪些改变?

中美火箭技术大PK

中国距离载人登月还有多远?

“运载火箭的能力有多大,航天的舞台就有多大。”目前中国全新的载人重型火箭即将面世,其近地轨道运载能力是号称“胖五”的3倍,高达70吨。同时该火箭还可将25吨的有效载荷送到月球轨道。可以说全新的重型载人火箭就是为载人登月而设计的。

全新的火箭是由中国航天科技集团一院设计,拥有载人专业户“长二F”和推力最大的“胖五”双重优质基因。新一代载人火箭全长约90米,除了助推器,芯一级安装了7台发动机;芯二级安装2台发动机;芯三级安装3台发动机、逃逸塔及整流罩,最大起飞重量达到2000吨。

该火箭从方案论证工作开始就对标的是美国最先进的“重型猎鹰”火箭,为了实现超越,全新的火箭采用新型泵后摆高压补燃发动机来提高推力,并大量使用高强度新材料来提高整个火箭的安全性和稳定性。

整体数据来看“猎鹰重型”的近地轨道的有效载荷只有63.8吨,略微低于我国的新一代火箭。我们能领先的主要原因是,我们的新火箭采用500吨级液氧煤油高压发动机,该发动机今年已经完成了全工况半系统试车工作,并取得成功,有望很快面世。

虽然暂时不知道全新发动机相关参数,但是我们可以从“胖5”使用的120吨级发动机YF-100推敲出来。

众所周知,火箭是利用内部燃料燃烧,产生高温燃气推动火箭运转。但是倒计时结束时,在以前点火的瞬间,火箭尾部会喷出白烟,但是却没有喷火产生推力。主要原因是火箭要获得较大的比冲,就离不开涡轮泵。涡轮泵带动燃料泵和氧化剂泵对它们分别加压,燃料和氧化剂推入燃烧室产生高温高压的气体从喷管喷出,产生推力。

而涡轮泵对氧化剂和燃料加压的大小,决定了火箭发动机火箭发动机核心指标—比冲和发动机推力,泵功率普遍极高,都达到了大几万千瓦级。所以火箭发动机的开发和制造成本都集中在涡轮泵上。

那么火箭是如何启动涡轮泵的?这个时候就需要一部分燃料形成高温燃气推动涡轮的叶片旋转。而涡轮泵也成为液体火箭唯一高转速带负荷的运动部件,相当于整个火箭的心脏。涡轮泵承受的压力自然也不小,因为涡轮要产生较大压力,轴承的转速可要达到每分钟几万转,加上需要高温燃气驱动,涡轮叶片需要承受高温热烧蚀和高温气体带来的冲击。

与此同时,部分燃料在预燃室产生高温燃气,推动泵的运转,这就是火箭喷管刚开始会产生白烟才能启动的原因。但是火箭内部燃料其实不富裕,这部分燃料如果不被充分使用,确实会造成浪费,火箭的效率也会被影响。

而且绝大多数火箭事故都是涡轮的锅,因为液体燃料在达到泵的叶轮附近时,尤其是离心泵的叶轮是进口是压力最低的地方,部分液体燃料会瞬间气化形成气泡,这些小气泡随液体流到泵的高压区时会受压破裂,带动燃料如同液体子弹一般的打击金属表面,造成设备损伤。

简单理解为水加热到100℃时,水沸腾后会有水蒸气。如果温度在20℃以下,我们将压力降低到0.024个大气压,水也能沸腾成为水蒸气。这就是高中学的理想气体状态方程pV=nRT。

那么如何给涡轮减负的同时还能提火箭发动机的效率,就成了各国火箭专家研究的课题,所以部分分级燃烧循环技术也因此诞生。

部分分级燃烧循环技术的主要优势是,将预燃的燃气和热量都通过燃烧室排出,这样预燃带动泵产生的能量基本没有损失的情况下,还提升了燃烧室的室压,提高了火箭发动机的效率,因此这种循环也常称为“闭式循环”。

燃烧室的压力提高,所以更大膨胀比的喷嘴可以用在火箭发动机上。

但这套系统的缺点也不少,首先对于涡轮机的工作环境要求更加苛刻。以前在火箭预燃室和主燃烧室相对分离,所以设计师有多一个自由度,按照需求可以进行更改缩放。但是在分级燃烧循环中,预燃烧室和主燃烧室必须绑定,所以在工作时,提高泵的效率,就必须增加管线输送燃气,增加了不少的反馈控制循环,使整套系统的复杂性大幅提高。

为了进一步提高效率,全流量分级燃烧循环技术出现了,和部分分级燃烧循环技术区别在于氧化剂和燃料由两个动力涡轮机供压,同时有两个预燃室 。

一个叫富燃预燃室,用于驱动燃料泵启动;另一个叫富氧预燃室,用于驱动氧化剂泵,涡轮排出的富燃燃气和富氧燃气同时进入燃烧室进行二次燃烧,并通过喷管产生推力。 因为是两个泵,所以100%的推进剂会通过涡轮这样的情况下涡轮工质的做功得到提高的同时,涡轮工质的温度可以更低。

全流量分级燃烧循环系统并没有装在全世界所有火箭上,因为该系统两侧预燃烧室过于富油或过于贫油,都会导致燃烧稳定性都很差,很难让发动机在额定工况下长时间稳定工作。

YF-100为了解决该问题主涡轮泵两台,其中氧泵为单级,煤油泵为两级,均为预燃室富氧燃气驱动,采用混合比和推力技术解决相关问题。并且YF-100可以单向或双向摇摆,实现推力矢量以控制火箭姿态。

相比之下,猎鹰火箭虽然厉害,但是它的梅林-1D发动机技术却极为落后,使用的是老款发动机,没有使用分级燃烧循环技术,所以比冲和推力自然相对YF-100较低。但是梅林-1D发动机的结构简单,体积非常小,使用先进材料反而让梅林-1D发动机的推重比达到155,改进型能达到180,这完全和我们的YF-100相反。

因为梅林-1D体积小,推力小,所以“重型猎鹰”启动时,要点火27个发动机,这对于系统的复杂程度是个不小的挑战。但是“梅林”发动机结构简单,所以可靠性比极高。而且加装了针栓式喷注器,可大范围调整涡轮泵的流量,使“重型猎鹰”在推力调节和燃烧稳定性方面表现优异。

简单理解为推力不够数量凑。

中美谁能率先在月球建立基地

SpaceX 的“重型猎鹰”火箭结构简单,性价比极高,发射报价仅为 9 千万美元,是波音的德尔塔 IV运载火箭的5分之一。所以SpaceX 赢得了美国航天市场 80% 的订单,几乎成为了美国“航天专车”。

所以美国宇航局拟在2023年发射一台用于挥发物调查极地探索车,简称VIPER。专门用于探测月球上的水在哪里,美国NASA准备用其并绘制首份月球水资源地图,也为美国月球基地选址打下基础。

承担这次发射任务的自然是SpaceX “重型猎鹰”。除此之外,美国计划在2023年用一枚火箭将自己的“门户”月球空间站发射入轨,并计划在2024年将2名美国宇航员送上月球,都是SpaceX 提供快递服务。所以美国宇航局和spaceX正在研制全新的重型火箭和“猎户座”飞船用于飞抵“门户”。 这个全新的重型火箭极有可能是核动力火箭。

关于核动力火箭的相关介绍,我会放在下期节目。因为对于核动力火箭的研发工作,不止美国在进行。

目前美国的登月计划还没有正式实施,但是准备工作已经有条不紊地推进当中。整体来看,我们在月球的探索还是落后于美国。按照中国科学院编制的50年长远规划中,中国实现载人登月工程是2030年前后,预计落后美国5年左右。

但是想想美国进行“阿波罗计划”时,我们才把“东方红1号”送上天,如今我们也要计划载人登月了,进步也是非常神速。

而且我们登月计划会不会加快,也说不好。不过从神舟12号刚刚落地,神舟13号已经发射,也能看得出我们航天计划开始逐步加速。未来谁主沉浮,暂时还真的很难判定,道常无为而无不为。不欲以静,天下将自定。

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