長征5號火箭的研製難度與資金需求至少是921載人飛船的5倍以上

高涼陳君 發佈 2023-12-04T14:43:12.204050+00:00

長征5號火箭的綜合研製技術難度與資金需求至少是921載人飛船的5倍以上。第一節,YF77發動機那怕是多次進行500秒的地面試車考核都具有重要的價值意義。

的綜合研製技術難度與資金需求至少是921載人飛船的5倍以上


第一節,YF77發動機那怕是多次進行500秒的地面試車考核都具有重要的價值意義。

火箭發動機的試車考核還存在累積試車時間這一個同樣重要的研製指標。冷戰時代美國SSME氫氧發動機的地面累積試車時間在首飛之前是11萬秒。而原蘇聯的RD0120氫氧發動機首飛之前的地面累積試車時間則達到喪心病狂的17萬秒。


只可惜原蘇聯國家在能源號火箭首飛不久後就崩潰解體了,就再也沒有人來為原蘇聯的RD0120大型氫氧發動機的漫長研製過程寫一篇數字高達10萬字的長編報告文學式歷史親歷回憶錄。結果今天原蘇聯在RD0120氫氧發動機的研製過程中到底遇上了何種難題,所採取的解決方案又是什麼,外界都所知不多了。與之相反,美國的太空梭研製工程就有數篇著名的長編報告文學式回憶錄在世界範圍內廣泛流傳。如在《不屈的探索精神——美國太空梭發展史》一文中人們就可以發現洛克達因公司在研製SSME發動機時,在氧泵的故障問題上也撞出了一頭包。

而多次(50次以上)進行YF77氫氧發動機的500秒地面長程試車考核,至少可以實際檢驗YF77發動機產品生產工藝的一致性與及批次的穩定性等等重要性能指標。因此讓YF77氫氧發動機儘可能多地累積地面試車考核時間,並儘快做到10萬秒的巨大規模(冷戰時代的標準),與讓YF77氫氧發動機多次通過單次1000秒(乃至1500秒)的地面長程試車考核均同等重要。YF77氫氧發動機在首飛之前透露出來的地面試車考核累積時間只有區區的37000秒,這明顯遠遠不夠。象長征5號遙2火箭其中一台YF77氫氧發動機在346秒出現的熄火停機的故障(由渦輪排氣裝置的故障引發),高涼陳君認為只要地面長程試車考核的時間足夠(如多次進行1000秒、乃至1500秒的一次性地面長程試車考核),京11 所就沒有理由在YF77發動機的地面試驗階段不能夠及早發現此一潛在的故障隱患來。

與之相反,長征五號遙4火箭其中一台YF77發動機在地面僅僅100秒的校準試車過程中就發現氧泵軸系裂縫這個大BUG。原因就既可能與YF77發動機生產加工的產品一致性、穩定性有關,也可能與YF77發動機的原始設計就存在重大安全隱患有關。因為日本人當年的H2火箭就是要遲到H2火箭8號機發射失敗之後,才最後發現LE7氫氧發動機的「氫泵存在預壓不足,因此導致渦輪葉片氣蝕過快、從而讓高壓管道在激烈的振動過程中發生破裂」的重大原始設計隱患。


因此,全新研製的火箭發動機的地面試車考核累積時間要達到10萬秒的巨大規模的觀點,也是能夠經受得起歷史事實的嚴峻考驗的。因為歷史上但凡是想節省火箭發動機地面試車考核成本的公司與國家,最後所付出的成本代價都無一例外更貴與更慘重。日本當年的H2火箭與及中國今天的長征5號火箭都是如此,未來ULA公司的火神、藍色起源的新艾倫與及太空探索公司的BFR巨型火箭也大概率一樣如此。因為到目前為止,BE4甲烷發動機與及猛禽甲烷發動機的地面試車考核累積時間離10萬秒的規模還有著非常漫長的距離。

現在美國藍色起源公司的BE4與及太空探索公司的猛禽這兩款全新研製的大型甲烷發動機就明顯存在地面試車考核嚴重不足的重大問題。不要說計算機模似仿真如何發達,火箭發動機的地面試車考核時間就能夠大幅度縮短的錯誤觀點了。要比開發流程與及開發研製技術的成熟度,火箭發動機何德何能來與汽車發動機相比較?!結果早前日本本田公司新開發的1點5T發動機就發生了大面積的產乳事故,日本日產公司新開發的2點0T發動機也發生了大面積的滲油事故。因此現在只要坐等火神火箭、新艾倫火箭與及BFR巨型火箭的「好戲看」就是了。等火箭在實際的飛行過程中爆炸了幾次,藍色起源公司與及太空探索公司們就會乖乖地回過頭來、老老實實地重新進行BE4與及猛禽甲烷發動機的補課試車工作的。

中國航天科技公司死活不肯做YF77氫氧發動機1000秒的地面長程試車考核,不知具體的原因何在?!還有,長征五號火箭回頭改走H2A、H2B火箭二級半構型通吃LEO、SSO與及GTO軌道發射任務的可能又有多大?!按目前的發展態勢分析,的確是有勢力在刻意迴避YF77氫氧發動機進行1000秒的地面長程試車的考核流程。高涼陳君也實在搞不明白他們這樣做的意義何在。如果我是京11所YF77氫氧發動機的研製負責人,高涼陳君一定強硬支持YF77氫氧發動機必須迅速進行1000秒的地面長程試車考核。成功了,徹底拋鍋。以後的工作就是去全力競爭兩院院士提名。

2019年8月25日

第二節,方方面面都遠遠低估了長征五號火箭的研製難度

當年日本的LE7氫氧發動機是直到8號機發射失敗之後才發現LE7發動機的氫泵存在預壓不足的重大設計缺撼。美國當年搞SSME,也是到晚朝階段才發現SSME的渦輪泵葉輪存在裂縫的重大bug。而歐洲的火神1氫氧發動機從1988年開始研製,直到1994年,即計劃首飛前兩年時間才發生氧泵爆炸的重大事故。最讓人崩潰的是,重新設計後的火神2發動機的氧泵在試驗時還是再次發生渦輪盤出現裂縫的重大事故。

一句話,翻開全球大型氫氧發動機的研製歷史,那一個不是一臉淚?!大型氫氧發動機研製最大的特點就是其深層隱患的暴露出現具有明顯的滯後性與隨機性。這在日本的LE7氫氧發動機的研製進程中表現得極其明顯,LE7發動機就是要遲到8號機的發射失敗之後,才在事後的調查過程中發現氫泵預壓不足這個先天性的重大設計bug。大型氫氧發動機就是如此任性、如此「拽」,你服不服?!因此冷戰時代美國SSME發動機的地面累積試車考核時間達11萬秒,原蘇聯RD0120發動機的地面累積試車考核時間高達17萬秒都是有原因的。你捨不得花大錢進行高強度的地面試車考核,那麼日本H2火箭的案例就直接擺在那裡,那就必須要做好火箭在實際的發射飛行中爆炸,星箭俱毀之後再花更多的錢與時間來歸零找原因吧。


《不滅的探索精神一一美國太空梭發展史》一書非常值得所有中國長征五號火箭的研製人員,與及所有關心長征五號火箭研製進展的局外愛好者、觀察家們一讀。當年神器SSME氫氧發動機就是由阿波羅時代主持研製過J2上面級氫氧發動機的保羅-卡斯滕霍爾茨來領導研製。然而結果J2發動機曾經的研製經驗並沒有什麼「卵用」,洛克達因公司的SSME研製依然發生了極大的困難,甚至直到1978年11月,即在太空梭項目啟動8年時間之後還發生了SSME氫氧發動機在地面試驗過中爆炸毀掉的重大事故。


因此,在末來長征五號火箭完全研製成功之後,中國的作家們不好好寫出幾本100萬字的長編報告文學作品,讓全中國的初中生、高中生人手一本,並翻譯成波斯文、朝鮮文、拉丁文與及在世界範圍內廣泛傳播。這都對不住中國世界大國的名頭。長征五號火箭的研製絕對是21世紀的兩彈一星工程,其難度也至少是921載人工程的4、5倍以上(這也是高涼陳君7、8年前就己經提出的著名觀點了)。

第三節,立即將長征五號火箭的研製上升到「國家支柱性戰略工程」的重大高度上來全面統籌推進。

這就是今天長征五號火箭的發展進程為何如此慘烈的最重要核心根源。即從一開始「方方面面」都完全低估了長征五號火箭與及YF77氫氧發動機的研製難度。

  以為歐洲行、原蘇聯行、日本行、美國行,中國也想當然「行」。結果現在卻被事實證明了「真的還不行」。

  高涼陳君認為,現在當務之急是必須立即將長征五號火箭的研製上升到「國家支柱性戰略工程」的重大高度上來全面統籌推進。

  即參考兩彈一星時代的高水平領導組織架構,必須讓一位行政級別至少達到國務委員(即副總理級)級別的高級官員(聶帥可是元帥級別)出來全面主抓領導,並授權其協調全國的科技、財政、人力、物力資源投入來全力推進長征五號火箭的研製發展。事實上歐洲阿里安五火箭就始終是中國長征五號火箭的老師。但當年主持歐洲阿里安五火箭研製的歐洲空間局局長可不是什麼區區「局長」,而是妥妥的副國級國際組織高官,那怕在世界範圍內都是擁有廣泛的影響力與知名度的高級政治家(如多爾丹)。

2019年8月27日


註:《液體火箭發動機高轉速誘導輪旋轉空化》一文非常重要,其發表於《推進技術》,2009年8月第30卷。作者是陳暉,李斌,張恩昭,譚永華。

此文中就明確說到SSME氫氧發動機氧泵的問題,也說到日本H2火箭8號機的故障問題。


《誘導輪旋轉空化——誘發不穩定現象的研究與進展》一文也非常重要。此文發表於2006年的《水泵技術》第2期。作者是陳暉,張恩昭與李斌。

此文也說到當年火神1氫氧發動機的氫泵也發生過空化故障現象。


總結,只要肯將長征五號火箭的YF77主芯級發動機的持續工作時間縮小為300到350秒左右。再縮小主芯級燃料裝載量30%左右。再走H2B、H2A的二級半構型路徑,即以單一構型就通吃LEO、SSO與及GTO軌道的發射任務,縮水版的長征五號火箭還是能用、堪用的。


其實縮水版長征五號火箭的GTO運力只要能夠達到8噸的水平區間,中國基於東方紅4E與及東方紅5公用衛星平台所開發的絕大部分軍用、民用重型衛星都可以成功發射了。日本H2B火箭的起飛質量為550噸左右、LEO運力為17噸左右、GTO運力為8點5噸左右(與著名的宇宙神551火箭處於伯仲之間)。如果二級半構型的長征五號火箭主芯級的燃料減少50噸左右(即YF77發動機持續工作時間設定為350秒),整枚長征五號火箭的起飛質量將縮小為820噸左右,再走高拋彈道來執行發射任務。參考H2B火箭來建模推測,LEO運力能夠保持在23噸、GTO運力能夠保持在11點8噸、SSO運力能夠保持在14噸的水平區間。這一運力水平已經能夠「做」很多事了。


長征五號火箭改走H2B火箭的高拋彈道來執行任務,還有另外一個重大的好處就是如果未來發現YF75D低溫上面級氫氧發動機的可靠性真的非常優秀的話。那麼未來在YF77主芯級發動機的持續工作時間依舊保持在350秒的區間,但通過增大YF75D上面級的體積,裝載更多的燃料,再延長YF75D上面級氫氧發動機的的持續工作時間到900秒區間(德爾塔4火箭所用的RL10B2上面級發動機的持續工作時間高達1100秒以上),長征五號火箭的LEO、GTO與及SSO運力還能夠提升一部分。


也就是說,在當前YF77發動機的可靠性不佳的前提下,未來可以通過主動縮小YF77發動機的持續工作時間,但改為主動延長YF75D上面級發動機的持續工作時間(甚至暴力拉長YF100煤油助推器的體積,將YF100助推器的持續工作時間再提升10%以上)的方式來逐步提升長征五號火箭的運載能力。一句話,只要肯下決心去「揚長避短」,有意壓縮YF77主芯級氫氧發動機的持續工作時間,努力降低長征五號火箭明確潛在的「不穩定因素」的影響。長征五號火箭還是有辦法做到「能用與堪用」的。因此,主動縮小長征五號火箭主芯級YF77氫氧發動機的持續工作時間為350秒左右,這在當前的環境態勢下還真是一個非常有價值的建議,因為真的具有足夠的現實操作價值。


(作者簡介:高涼陳君,實名陳天。廣東省茂名高州人,1981年出生。帝國學分析家、作家,地區知名人士,白雲山舍主人。一直致力於從事帝國學問題的分析研究。)


陳天(高涼陳君)


於廣東高州



2019年8月28日

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