2015年还处于论证阶段的长征八号运载火箭首次进入大众的视野,2016年其模型亮相军民融合科技创新展览会,在其基础上发展可回收式火箭的消息则是于2018年公开的,2019年11月25日,长征八号火箭芯二级氢氧发动机完成高空模拟试验,这意味着火箭基本达到了设计指标符合验收要求,而在即将到来的2020年12月,长征八号将迎首发。
花几分钟懂点儿啥,长征八号要首发!这是科学懂点儿啥的第20篇原创。
长征八号是哪一位?
两级液体燃料捆绑式运载火箭,总长50.3米,起飞重量约356吨,起飞推力约480吨,具备二次点火能力,能将5吨重的载荷送入高度700公里的太阳同步轨道,这是长征八号火箭的纸面参数。
身材匀称的长八
在我国长征系列火箭家族中,“八号”是新生的一代,只是排在长辈的后面小朋友,安全系数最高专门应用在载人航天的长二F,超过200次发射的“全明星”长三系列,大块头大推力的长五都是非常优秀的运载火箭;论个头他也不算大,只属于中型火箭的级别;运载能力700公里高度达到5吨有效载荷,中规中矩;在燃料方面一子级采用液氧/煤油的组合,二子级则以液氢/液氧作为推进剂,相比以往常用的四氧化二氮和偏二甲肼更加环保、高效;最为亮眼的则是“可回收”这项新技能。
长八暂时还没加进去
为什么要搞可回收式火箭?从2015年猎鹰九号火箭首次回收成功到现在,国际航天发射市场中尤其是商业航空这一部分,拥有该火箭的SpaceX公司可谓是杀得四方片甲不留,生生抢走了原属于德尔塔、阿特拉斯火箭的“生意”,其诀窍很简单——便宜,靠的就是可回收技术,也就是将火箭发射时完成了运送任务的一级、二级发动机再完完整整的送回来,留在下次发射时再使用,这样一来就比一次性的火箭节约了大量时间和经济成本。以猎鹰九号火箭为例,其造价约为5000万美元,推进剂成本大约只有20万美元,一次回收可降低火箭发射成本的近八成,而在发射的准备周期也能用原来的8个月缩短至3个月左右,一个是又慢又贵,另一个不光便宜发射间隔还短,区别之大一目了然。
随着我国逐步走向航天强国,自然也要面对世界上一众优秀运载火箭带来的挑战,商业竞争在所难免,另一方面,作为国家关键层面上的核心技术,自主掌握自主建造也是绕不过去的一道坎儿,长征八号火箭的出现一方面填补了我国长五、长七(未来主力火箭)和长二、四(低轨道高性价比火箭)之间的空档,4、5吨的载荷打到六七百公里的高度,长五、长七轻松带上去但是成本太高,长二、长四虽然价格合适但是运力又达不到,长八刚刚好在中间补足;同时,突出可回收可复用这一技术特点,极大的增强我国运载火箭在国际商业发射市场中的竞争力。
好是真的好!但是如何用后回收?火箭回收是一项复杂的技术,按照回收方式可划分为伞降型、翼式滑降和垂直反推式,应用效果以后者最为成功。几年前猎鹰9号首次回收成功时有人做过一个比喻,把一只参加过高考的功勋2B铅笔向上抛出,在飞过528米高的中国尊之后,准确的而且是笔尖冲上的落回你的笔袋里,这还不算,第二年你又用同一根铅笔去参加大学英语等级考试了。那么对于一枚飞行到数百千米高度的火箭而言,还需要解决飞得稳、控得精、落得准、站得住等问题,才能谈成功的回收。
猎鹰九号的发射与回收概图
首先是火箭发动机的多次启动技术,以及对发动机推力的可调技术。当完成了运送任务火箭返回时,发动机要从关机状态二次点火,这就需要额外携带推进剂(燃料),但在燃料消耗过程中带来了问题,燃料减少,火箭质量减轻,质心位置变化,所以就要求发动机的推力相应作出调整,从而实现平稳降落。实现发动机推力可调这一技术对发动机燃烧、涡轮泵、阀门等组件的要求很高,实施控制的主控软件也要足够强大。
发动机技术在回收过程中至关重要
第二个难点是要精确地控制火箭飞行姿态还有降落位置的准备把握,几十米长的火箭,要在太空中完成减速、调姿,最终达到竖直降落的状态,这对火箭的操控性以及稳定性要求很高,除了自身稳定还要有对抗外部干扰的能力,当火箭下降到距离地面20公里以下的区域时,大气活动就会产生“强风怪力”,复杂多变的风力风向,需要矢量尾喷管来应对,也就是根据火箭垂直状态的变化,随时灵巧的改变火箭推进剂反推的方向,快速抵消外力造成的变化维持稳定。借助导航卫星的精确定位,能够帮助火箭回收时准确定位,但是要控制落点误差在米级的水平,就需要火箭自己长出“翅膀”来帮忙。早在2019年7月26日发射的长二丙火箭上就出现了这种“小翅膀”,它的名字叫做格栅舵,能够利用气动外形控制火箭滚转、俯仰、偏航,从而实现准确降落在预定地点。
格栅舵在帮助箭体控制方向
第三个难点,也是所有返回时人造航天器共同面对的大气阻力,火箭的外形是个圆滚滚的柱子,相当的不流线型,会在返回时与大气层发生剧烈摩擦,摩擦生热,产生接近1500度的高温,同时威胁火箭外部结构和内部的仪器设备,所以,对于返回时火箭专门的隔耐热设计是必不可少的。
尾喷管控制方向和推力的大小
最后一个难点就是落地一瞬间,除了反推发动机,承受火箭所有质量和加速度的着陆支架尤其关键,无论如何精细的控制火箭降落瞬间的速度,总要有一个速度变化产生的较大动量,着陆支架要能起到足够的缓冲作用,也就是“温柔”的将火箭停住,同时,还要足够“强壮”,不能让火箭发生倾斜、侧翻。
着陆支架要有刚有柔还要耐高温
期待期待!
按照之前公开的火箭发展规划,预计于今年年底首发的长征八号火箭并不会展开回收试验,而是开展前期的一些铺垫工作,在后续的改进型上就要“真刀真枪的练”了。试想一下,未来可期的几年里,以成熟火箭技术为基础的长八家族,通过模块化改装以快速适应不同任务,从任务合月签署到发射升空周期一年以内,回收后快速再部署,以每年超过20枚的发射量,在国际市场上一较高下,真是特别特别期待呢!
预祝首发顺利!!!
相信届时直播出现这个画面时我会忍不住泪目