中国新一代载人火箭预计2026年首飞,其动力方案引起了大家的热议。有人认为这不就是猎鹰九号的多发动机方案吗?连助推器构型,也是跟猎鹰重型如出一辙。也有人认为中国的火箭一定会超过猎鹰九号成为最好的载人火箭。为啥中国新一代载人火箭跟猎鹰火箭这么像呢?到底新一代载人火箭性能如何呢?我们拿数据来说话。
一、新一代载人火箭很像猎鹰?
新一代载人火箭也叫CZ-5DY火箭,以前我们都叫921火箭,是为载人登月设计的下一代载人火箭,是长征-2F的替代型号,也可以认为是长征五号的升级型号。目前来看,CZ-5DY火箭,从设计理念上特别像美国SpaceX公司的猎鹰火箭。都是多发动机并联模式,也都有动力冗余功能,甚至也都可以垂直回收。助推器版,都采用CBC构型。总之,让外人看起来,新一代载人火箭着实有模仿猎鹰之嫌。
单从外表看,也有不同的地方,发动机数量不一样,中国的一个火箭筒里7个发动机,猎鹰9火箭是9个发动机。另外,火箭直径也不一样,CZ-5DY火箭是单筒5米直径,猎鹰火箭是3.7米直径。当然,还有很多不一样的地方,咱们就不一一说了。
关于应不应该模仿猎鹰火箭,很多人还在纠结于苏联当年N1火箭的四次失败。其实,如果发动机不靠谱,再好的火箭设计理念都是白搭的。N1火箭,恰恰是火箭构型和发动机都是全新的,而且为了跟美国抢夺时间,减少了测试环节。更何况,当年的火箭控制系统跟今天的是没有办法比的。所以这样的失败,并不能说明动力冗余方案是不可行的。而猎鹰火箭应用到了美国载人航天上,恰恰说明动力冗余方案是可靠的一套方案。补充一下,别说N1火箭,就连SpaceX的超重火箭和星舰也因为全新的设计和全新的发动机配合,而故障频繁,一再推迟正式发射时间。
二、为啥这么像?
很多人会问,中国为啥不独立设计一款全新的火箭,而要让新一代载人火箭模仿猎鹰火箭呢?我想主要还是以下几个原因:
第一个原因,现有发动机种类限制了发展其他构型。中国最擅长的构型应该是类似长征五号的这种火箭,每个火箭筒里最多两台主发动机,芯级推力不够可以增加助推器。但是,当中国发展起来5米直径的火箭以后,并没有跟5米直径相匹配的大推力发动机。国产500吨级液氧煤油发动机还处于研发阶段。目前推力最大的发动机就是120吨级的YF-100发动机了,5米直径火箭筒里安置7台这种发动机可以最大程度提高火箭推力。相对于长征五号加上助推器近12米直径,10台发动机,只能提供1060吨的推力来说,单独使用5米直径7台发动机就可以得到840吨的推力,效率更高了。
第二个原因,是时间不等人。就像刚才说的,中国的500吨级发动机正在研发,未来两三年内应该可以进行发射试验。但是,中国已经吃过长征五号的亏。一款全新研发的火箭,发动机也是全新研发的,不确定性非常大。前两次发射都出现了故障,第二次发射更是直接毁掉了火箭。根本原因就是全新的发动机,可靠性还没有经过充分验证,通过事故充分暴露了问题,不断改进才提高了可靠性。
虽然长征五号不是载人火箭,依然严重拖慢了工作进度。新一代载人火箭绝对不能再走一遍老路子,能用成熟的发动机,绝对不会再使用刚刚研制出来的全新发动机。2026年是新一代载人火箭首发的时间节点,在这样短的时间内,去等待全新研发的发动机是不现实的。而YF-100,已经经受住了前期的考验,未来四年,还会有大量航天发射任务去考验它的可靠性。一种经历过大量实践考验的发动机,用在载人任务上,显然要比全新发动机靠谱多了。
第三个原因,载人火箭对安全性的要求,限制了发展其他构型。虽然长征2F火箭,使用经典构型实现了载人发射的绝对安全。但是从安全设计的角度来说,还有提升的空间,要知道长征五号也沿用了长征2F的安全设计理念,设计安全可靠性甚至超过了长征2F,但因为发动机的问题,依然出现了故障。不管多么成熟的发动机,都不敢保证百分百不出问题。对于长征2F这样的火箭来说,一旦发动机出现故障,发射任务就会大概率失败,从而给航天员带来极大的安全隐患。
但是对于猎鹰9号这样的火箭来说,发动机的可靠性并不低于其他发动机的前提下,额外设置了动力冗余,也就是允许2-3台发动机出故障,仍然不影响火箭完成发射任务。这就相当于给汽车携带了备胎,平时可以不用,一旦需要用的时候,就比没有备胎的汽车更靠谱了。对于CZ-5DY来说,也可以允许在1-2台发动机故障的情况下,不影响正常发射。在发动机故障率相同的情况下,动力冗余模式可以明显提高火箭的可靠性,让载人发射更加安全。顺便你也就明白了,为啥必须用YF-100改进的发动机,而不是全新研发的发动机。
中国新一代载人火箭确实借鉴了猎鹰火箭的一些先进理念,但也绝对不是简单的模仿,完全可以衍生出自己的特色来。走别人走过而且还比较好走的路,并不丢人,反而打肿脸充胖子,一条道跑到黑更不可取。想当初,美国逐渐超过英国的时候,英国那些政客们,因为瞧不起美国,甚至差点立法要求英国的避雷针不能是尖的,必须是圆的,只因为尖的避雷针是美国人发明的。同样的事情,今天的人足够聪明,希望不至于再纠结于此。
三、看到成绩,也要看到不足
我们也要通过新一代载人火箭看到中国火箭技术的不足。虽然中国在航天领域已经可以独树一帜,很多领域甚至可以跟美国一较高下。但是航天科技的短板也还是存在的,而且并不小。
我们就拿最简单的数据来看,发动机的推重比和火箭的运载效率。
YF-100发动机改进前自身重量为1.9吨,推力120吨,推重比为63,经过改进重量可以降低到1.6吨,推重比可以提高到75,接近俄罗斯RD-180发动机的78了。但是SpaceX公司的梅林1D+发动机推重比180,最高可以超过200,优势是非常明显的。这跟先进材料的应用以及先进的设计理念是分不开的。从另一个角度考量,中国的火箭发动机推重比提高的潜力还是很大的。
提到发动机设计理念,按说中国的YF-100,使用高压补燃方案,而美国的梅林发动机使用燃气发生器方案,显然中国发动机技高一筹。高压补燃方案,最大的优势是提高燃烧比冲,节约燃料,可以用更少的燃料飞得更远。而梅林发动机的优势是推重比高,虽然不直接节省燃料,但可以节省火箭的干重,间接也就节省了燃料。那它们两个谁更占优势呢?我们看看两家的火箭。
因为公开拿到的数据匹配度不是特别高,我们只能粗略比较一下。新一代载人火箭起飞重量大概是2211吨,近地轨道运力70吨,大概32:1;猎鹰重型火箭起飞重量1420吨,近地轨道运力63.8吨,大概是22:1。从运载效率上来说,新一代载人火箭应该是逊色一些的。这样看的话,长征火箭发动机高比冲带来的好处,并不如猎鹰火箭发动机高推重比带来的好处大。
当然,这个数据只是目前报道的数据,毕竟新一代载人火箭还没有面世,实际数据肯定会有出入。我们还是拿现成的火箭来比一比吧。长征五号,不仅使用了高比冲的液氧煤油高压补燃发动机,还在芯级用上了比冲更高的液氢液氧发动机,按说这两种发动机都应该让长征五号获得比猎鹰9号更高的运载效率。但是,现实情况是,长征五号乙重量837吨左右,近地轨道运力25吨,大概是33:1,而猎鹰九号重量549吨,不回收的情况下近地轨道运力22.8吨,24:1。依然可以看出来高比冲带来的效益,暂时还比不上梅林发动机高推重比带来的好处。
当然,这里的比较是有些粗略的,中国的发动机,目前还处于初级阶段,未来还有很大的提升空间,推力可以提高、自身重量可以更低,推重比提升空间很大。将来中国火箭的运载效率也有很大的提升空间。
除了发动机的影响,还有很多技术也会影响火箭的运载效率。猎鹰火箭在这方面做的工作还是很到位的,也非常值得中国火箭学习。比如,猎鹰火箭使用强度更高重量更轻的铝锂合金来制作火箭贮箱,而长征五号火箭目前还是用更重一些的铝合金来制造贮箱,虽然铝锂合金也有突破,但不知道能不能应用到新一代载人火箭上。猎鹰火箭使用过冷加注技术来提高燃料的密度,增加火箭燃料加注量,中国目前还没有应用相同的技术。猎鹰火箭把推进燃料的氦气罐放到了液氧罐里面,仅仅这一个改进就可以明显降低氦气罐的厚度和重量。再加上碳纤维复合材料的使用进一步降低了氦气罐重量。就是这种在各种细节上节省火箭干重,增加燃料携带量,从而让猎鹰火箭获得了更高的运载效率,这是值得中国火箭学习的。
好了就说这么多吧,虽然中国航天取得了举世睹目的成就,但是在火箭领域需要提高的空间还很大,不仅仅是大推力发动机需要尽快攻克,现有发动机的性能提升空间也是很大的。我们乐于见到中国航天带来的巨大成就,但也期待中国航天做得更好。
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