《资治通鉴》评说

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【diamond】(九)龙腾天外 C.飞腾之力

(2013-09-26 14:51:48) 下一个

与汽车、船舶、航空中的情况一样,航天发动机是决定航天水平的核心因素之一。中国航天虽然起步很早、起点不低,也取得了很多引人注目的成就,但是受限于中国的整体工业水平和财政投入强度,在发动机方面只能遵循物尽其用的原则,尽可能发掘现有装备的潜力,对先进的技术方案采取技术跟踪和预研的办法,只能保证自己不掉队,无力展开大规模的研制和试验,所以长久以来中国的航天发动机水平是落后于少数几个先进国家或国家集团的。不过这种情况正在发生根本的改变,借助于日益上升的工业和经济实力,以及持续加大的资金投入,中国的航天发动机也正在逐渐赶上先进水平。

 

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这种火箭发动机的亮点包括:燃料环保而且廉价,推力巨大,可靠性高,可重复使用。对最后一点不必感到奇怪,虽然火箭发动机真正工作只有一次,但是这一次工作必须是绝对可靠的。对于不可重复使用的固体燃料火箭发动机来说,由于无法通过试车来来测试其最终质量,因此只能从源头把关,对每一个元件和每一步装配的都提出了极其严格的质量要求,才能保证其可靠性。众所周知,火箭发动机的零件众多、装配复杂,可靠性每提高任何一点,都需要付出极大的代价,这样一来无疑大大推高了火箭发动机的制造成本。所以,固体燃料火箭发动机的成本高、可长期贮存随时发射,适合用在机动发射、紧急补射等军事用途。对于商业和科研目的的航天发射来说,出于成本和可靠性的综合考虑,可重复使用、可事前验证的液体燃料发动机是最佳选择。某些国家为了搭车发展军用运载火箭技术,采用固体燃料火箭发动机进行民用航天发射,这不叫技术先进,也不是创新思维,而是另有所图。

YF-100采用了高压补燃循环技术,中国因此成为继俄罗斯之后第二个掌握这种技术的国家。其技术特点是先进行富氧燃烧,然后将生成的燃气引入燃烧室进行完全燃烧,所以又叫富氧预燃分级燃烧循环技术,可以提高燃料的利用率,从而提高发射的有效载荷。对火箭发动机来说,其推力中的很大一部分要用于克服自身的重量,剩下的才是给有效载荷加速的,所以和原有的75吨发动机相比,这种发动机的推力虽然只加大了60%,但其运载能力却增加为原来的3倍,可以用于发射构成空间站的重型构件,或者更重、更大的卫星。

必须指出的是,在2012年中的这次点火试验并非一次研制过程中的试验,而是最终的验收。这型发动机是从2000年立项开始,先后进行过上百次的试车和数万秒的点火。参与本次点火试验的发动机此前已通过了点火测试、颠簸运输和三年的储存,在本次点火中又经历了600秒的极限工况测试,证明这种发动机具备有极高的可靠性。这标志着该型火箭发动机已经完成了研制,正式进入了实用阶段,随着这种发动机投入使用,中国在航天发动机领域一举超过日本,达到和俄美欧接近的水平。此外,中国还在研制220吨级的氢氧发动机,以及更大的、用于载人登月的600吨级液氧煤油发动机,后者的推力已经接近于阿波罗登月中使用的、海平面推力700吨的美国F-1火箭发动机。

和上百吨推力的巨型火箭发动机相比,电推火箭发动机的推力实在是小得可怜,只有前者的亿分之一。不过千万不要小看这种发动机,其巨大的比冲(消耗单位燃料所产生的推力)和极长的工作寿命都是那些基于化学燃料的火箭发动机所无法比拟的,特别适用于卫星的姿态控制、轨道维持和深空探测等应用。

 

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航天器在太空工作,经常需要进行姿态调整、位置保持、轨道维持、变更轨道和加速减速等操作,这都离不开火箭发动机。航天器的寿命取决于火箭发动机的工作时间,或者说,取决于发动机所余燃料的多少。一旦发动机的燃料耗尽,航天器的生命也就到头了。所以,卫星的使用寿命在很大程度上取决于其发动机的使用寿命。

通常航天发射采用的火箭发动机都是基于化学燃料的,优点是推力巨大,缺点是必须携带大量的燃料,因为推进所需的能量是以化学能的形式贮藏在燃料里的。电推进火箭发动机则不然,携带的所谓燃料其实是一种工作介质,本身并不发生燃烧,而是利用电能将燃料加速喷出,从反冲中获得推力。由于电能可以从太阳能电池板、核电池等途径获得,几乎是无穷无尽的,不受化学燃料的密度的限制。所以,和化学火箭发动机相比,电推进发动机可以用更少的燃料获得更大的推动能力,用专业指标来衡量就是更大的比冲,大约10倍于化学发动机。因此,采用电推进发动机的卫星拥有更长的使用寿命、更轻的发射重量和更大的工作载荷。

过去中国的卫星一直受制于燃料重量问题,由于其大部分重量不得不用于携带燃料,只能少带工作仪器,而且发射成本高昂、寿命十分有限。采用电推进发动机之后,情况就完全不同了,以通讯卫星为例,可以节省80%以上的卫星燃料,把基本重量从过去的4.8吨减少到1.8吨,节省出来的重量可以用于携带更多的转发器,同时拥有更长的使用寿命和更低的发射费用,经济效益十分巨大。

在深空探测领域,电推进系统更是必不可少、甚至是目前唯一可行的推进方式。电推进系统的缺点是推力小,在时间跨度以年为单位计算的深空探测活动中,这一点可以用长时间加速的办法加以弥补。此时电推进系统重量轻、燃料少、可长时间工作的优点就显得十分突出了,航天器可以搭载更多的探测仪器、去往更遥远的星际。未来中国还将进行对火星、木星和小行星带等进行探测,此次试验成功的电推进系统将会用于我们的首个小行星探测航天器。

由此纵观中国航天的发展里程,恰如中国工业的一个缩影,从一无所有之中起步,在艰难困苦中坚持,经过长期不懈地追赶,曾经遥不可及的差距被一步一步地缩小,最终接近了世界之颠,现在甚至已经能够隐约看到超越的曙光了

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