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详解欧日大型运载火箭:运载能力均不如中国长征5号

时间:2017年02月22日 信息来源:新浪军事 点击: 【字体:

2016年11月3日晚,我国新一代大推力、高可靠、无毒无污染运载火箭长征五号发射成功。长征五号研制与发射成功将对构建我国新一代无毒无污染运载火箭型谱发挥重要的牵引和辐射作用,使我国运载火箭整体技术水平向前迈进一大步,是我国由航天大国逐步迈向航天强国的重要标志。

  长征五号为我国运载火箭升级换代里程碑工程,其发射成功标志着我国运载火箭规模成功实现由中型到大型的跨越。也标志着我国由航天大国迈向航天强国步伐加快。长征五号将进入由美国的“宇宙神”-5、“德尔塔”-4,俄罗斯的“质子”-M、“安哥拉”-5,欧洲的“阿丽亚娜”-5,日本的H-2系列运载火箭为代表的大型运载火箭市场。本文将主要介绍欧洲的“阿丽亚娜”-5、日本的H-2系列运载火箭。

  欧洲的“阿丽亚娜”-5

  “阿丽亚娜”-5是继“阿丽亚娜”-4之后欧空局推出的一种大型运载火箭。研制这种火箭的设想可以追溯到1979年,当时主要是想研制一种能把10吨重的“使神”号载人航天飞机送入200千米高的低地轨道的运载火箭,具体方案是使用“阿丽亚娜”-4的L210第一级捆绑“阿丽亚娜”-3的固体助推器(当时“阿丽亚娜”-4的液体助推器还没研制),上面使用装45吨推进剂的低温级,再上面装“使神”号航天飞机或在用于向静地轨道发射时装H10第三级。此后火箭方案几经变动。

  

欧洲阿里安-5型运载火箭发射瞬间

  1985年1月,欧空局批准了该火箭研制的预备性计划;1987年11月在欧空局部长级会议上“阿丽亚娜”-5研制计划正式得到批准。

  “阿丽亚娜”-5研制计划的最初目标是:可用于向静地转移轨道进行单星或多星发射,单星发射运载能力为6.8吨,双星运载能力为5.9吨;可把22吨重的“使神”号航天飞机送入100千米×463千米、倾角28.5度的转移轨道;提供4.57米直径的圆筒形典型有效载荷空间,以与美国航天飞机兼容;达到0.98的总可靠性指标;在发射“使神”号航天飞机时满足0.999的安全性要求;实现成本方面的目标,即在每年发射8次、其中4次是静地转移轨道发射的前提下,在向静地转移轨道发射双星时成本要比使用“阿丽亚娜”-4低10%以上(相当于单位重量发射成本降低45%)。1993年欧空局决定取消“使神”号航天飞机计划,但对“阿丽亚娜”-5火箭的可靠性要求并没有降低,要求达到0.985,即每发射70次才可以有一次失败。

  “阿丽亚娜”-5火箭的研制费用由欧空局的14个成员国分担,出资较多的法国、德国和意大利分别负担46.2%、22%和15%。该项目的经费最初定为72亿美元,加上20%的不可预见费用,实际上包括可行性论证工作在内总投资达86.8亿美元。欧空局有一条原则,即出资国的出资最终将以补偿合同的形式返还给出资国,因此“阿丽亚娜”-5火箭各组件的研制与生产工作都承包给了欧洲厂家。

  火箭的总承包商是法国国家空间研究中心,法国宇航公司同过去一样仍作为该火箭项目的总体承包商(欧空局称之为“工业设计师”),负责总体、低温主级和固体助推器。其它主要分包商还有德国奔驰宇航公司(负责上面级)、欧洲动力装置制造公司(负责低温主级与上面级的推进装置)、欧洲推进公司(欧洲动力装置制造公司与意大利BPD防御与空间公司的合资公司,负责固体助推器的推进部分)、赖古勒斯公司(欧洲动力装置制造公司与法国国家火炸药公司的合资公司,负责固体推进剂)、马特拉·马可尼航天公司(负责设备舱)、道尼尔公司(奔驰宇航的子公司,负责三星支架)和厄利孔-康特拉夫斯公司(负责整流罩)等。

  “阿丽亚娜”-5火箭在结构上分为下部组合和上部组合两大部分。下部组合与所执行的发射任务无关,由低温主级和两台大型固体助推器组成。上部组合在最初设计时分为载人和不载人两种情况:不载人时它由上面级(用于向低地轨道、太阳同步轨道和静地转移轨道发射)、设备舱、整流罩、多星发射支架和有效载荷适配器组成;载人发射时它就是装在适配器上的“使神”号航天飞机。“使神”号计划取消后只剩下头一种情况,但要根据有效载荷的情况选配整流罩和多星支架。

  “阿丽亚娜”-5可以把重6.8吨的单一有效载荷送入倾角5~12度的静地转移轨道,双星和三星发射时这一能力分别为5.9吨和5.5吨。它还能把10吨重的卫星送入800千米、倾角98.6度的太阳同步轨道,把18吨重的货物送入550千米、28.5度的圆形低地轨道,70千米×300千米、倾角28.5度轨道的运载能力为22.6吨。

  “阿丽亚娜”-5的固体助推器代号P230或EAP(固体助推器级),共有两台,捆绑在芯级两侧。每台助推器都可装带降落伞回收装置,用于从海上回收,以对发动机、助推器壳体、残留推进剂和设备的工作情况进行检查,积累更多的发动机工作数据。目前计划每年回收两套助推器。回收系统所用的降落伞由俄一专业研究所生产。回收装置装在助推器前裙体内,可根据需要快速拆装,重量不到助推器本身重量的0.6%。从经济性方面考虑,目前还没有重复使用固体助推器的打算。

  

工作人员为阿里安-5火箭装配卫星载荷

  固体助推器全长31.16米(其中发动机长26。 774米),主体直径3.049米,分三大段浇注,采用丁羚推进剂。每台助推器总重为268吨,其中装药重量237.1吨(后、中、前段各为106.5吨,I07.6吨和23.0吨),喷管6.1吨,内部绝热层4.9吨,壳体19.7吨,点火装10.3吨。药型除前段在周向开15个矩形槽外,其余均为圆柱形内孔燃烧,由下而上略呈锥形。 发动机的燃烧时间为129.4秒,起飞时的海平面推力为5250千牛(真空推力6000千牛),真空比冲2658牛·秒/千克,总冲在610兆牛以上。出口直径2.826米的喷管可利用分开90度安装的两个液压作动器实现6度的偏转(最大7度)。喷喉采用碳-碳烧蚀材料,直径0.9米。

  “阿丽亚娜”-5的第一级代号H155或EPC(低温推进级),又称低温主级,使用一台燃气发生器循环的火神低温氢氧发动机,该级长30.7米,直径5.4米,起飞时重量为167.5吨。第二级级代号L9.7或EPS(可贮推进级),采用开式循环的挤压式可贮推进剂艾斯塔斯发动机,该级长3.3米,直径3.9米,推进剂为6.5吨四氧化二氮和3.2吨单甲基肼,分装在四个直径1.41米的贮箱内。艾斯塔斯发动机真空推力27。 5千牛,真空比冲3097牛·秒/千克,燃烧时间(3次工作)总计为1100秒。发动机可摆动6度,以进行俯仰和偏航控制。

  “阿丽亚娜”-5的设备舱位于第二级发动机的外围。与“阿丽亚娜”-4的设备舱不同,它带有姿控系统,用于第一和第二级工作期间的滚动控制和工作结束后的三轴控制。

  厄利孔一康特拉夫斯公司生产的整流罩直径5.4米,有长型和短型两种,可接纳直径4.57米的有效载荷。短型罩长12.7米,重2.3吨,长型罩长17米。由道尼尔公司制造的880千克重的三星发射支架(SPELTRA,即“阿丽亚娜”三星发射外部支撑结构,类似于“阿丽亚娜”-4使用的SPEL-DA,即“阿丽亚娜”双星发射外部支撑结构)将使上部组合的高度增加5.66米,可用于双星发射。

  欧空局当前主要使用“阿丽亚娜”-5运载火箭完成发射任务,1996年“阿丽亚娜”-5火箭首次发射,在16年的历史上曾出现“阿丽亚娜”-5G、“阿丽亚娜”-5G+、“阿丽亚娜”-5GS等型号,目前使用的型号为“阿丽亚娜”-5ECA和“阿丽亚娜”-5ES,分别主要用于发射静止轨道通信卫星和ATV货运飞船。凭借早期“阿丽亚娜”-5G系列火箭的成功业绩,“阿丽亚娜”-5火箭延续了“阿丽亚娜”-4号运载火箭在商业发射市场上的辉煌,而性能更为优秀的“阿丽亚娜”-5 ECA火箭达到了10吨的同步转移轨道(GTO)运力,并可通过一箭双星的发射方式降低发射费用,进一步巩固了“阿丽亚娜”-5火箭在商业发射市场上的优势。

  现在,欧洲航天局正在研制“阿丽亚娜”-5ME,并继续研发模块化、低成本的后继型号“阿丽亚娜”-6火箭。德国支持发展“阿丽亚娜”-5ME,将在2017年至2018年执行飞行任务;法国支持发展“阿丽亚娜”-6,预计在2020年后开始提供服务。与“阿丽亚娜”-5相比,“阿丽亚娜”-5ME采用了新的上面级,比目前的“阿丽亚娜”-5ECA型火箭的运载能力提高20%,地球同步转移轨道运载能力11.2吨。“阿丽亚娜”-6的地球同步转移轨道运载能力并不高,为3~8吨,但可靠性高于“阿丽亚娜”-5系列火箭,成本也比“阿丽亚娜”-5低,并能够实现更高的发射频率。

  日本的H-2系列火箭

  H-2A火箭被视为日本的“天之骄子”,因为这一直径4米,全长53米的两级火箭技术十分先进,可用于参与国际卫星发射市场商业竞争。

  与H-2相比,H-2A在设计上追求简单和可靠,最大的变化是在由三菱重工制造的液体发动机和固体助推器上。它采用了改进的第一级和第二级发动机、SRB-A大型捆绑固体助推器及贮箱,以简化设计,降低生产和使用成本。

  

日本H-2火箭转运过程中

  H-2A的第一级使用1台推力为1100千牛的 LE-7A发动机(第一级上的LE-7发动机推力为845千牛)。为了简化生产工艺,降低成本和风险,它更多地采用了铸造和机加工艺,减少了焊接。H-2火箭发动机共有98焊接点,而H-2A的发动机只有8处,这样可提高可靠性和操作性能,因为火箭的发动机是整个火箭的心脏部,最容易发生问题的是焊接部位。

  第二级用LE-5B取代了H-2第二级的LE-5A。LE-5B发动机推力为138千牛(LE-5A发动机的推力为117千牛)。另外,其贮箱结构设计也作了改进,由H-2的共底结构整体式液氧液氢箱改为各自分开的液氧箱和液氢箱,这样能简化生产过程,提高安全性,但缺点是使重量有所增加。

  其SRB-A固体火箭助推器采用了从美国引进的整体制造技术,不再分段制造,降低了重量,提高了结构完整性。H-2的SRB固体助推器采用聚丁二烯复合装药,分4段制造,每台的推力为1556千牛。H-2A所用的SRB-A助推器也用复合推进剂,但改用整体制造技术,从而降低了重量和低成本,提高了结构的完整性,简化了发射操作。新助推器的单台推力也提高到了2254千牛。

  由于H-2A采用新的LRB液体助推器,所以运载火箭的支承结构方案作了相应改进,由固体助推器支撑芯级方案改进为芯级自身支撑方案。每台LRB助推器使用2台LE-7A发动机。

  H-2A零部件比H-2减少了约20% ,发射费用降到H-2的一半,基本与欧美持平。H-2一味追求100%国产化,而H-2A有许多零部件是从其他国家购买的(如第二级贮箱的一些组件),并更多地采用了商用元器件。H-2火箭整体的设计可靠性为97.4%,H-2A为98.2%。

  H-2A火箭可通过捆绑不同种类和数量的助推器分成5个子型号:一是捆绑了2个SRB-A大型固体助推器的202型火箭,其地球同步转移轨道的运载能力为4.1吨;二是捆绑了2个SRB-A大型固体助推器和2个SSB小型固体助推器的2022型火箭,其地球同步转移轨道的运载能力为4.5吨;三是捆绑了2个SRB-A大型固体助推器和4个SSB小型固体助推器的2024型火箭,其地球同步转移轨道的运载能力为5.5吨;四是捆绑了2个SRB-A大型固体助推器和1个LRB液体助推器的222型火箭,其地球同步转移轨道的运载能力为7.5吨;五是捆绑了2个SRB-A大型固体助推器和2个LRB液体助推器的212型火箭,其地球同步转移轨道的运载能力为9.5吨。此外,没有二子级1024型火箭专门用于发射日OPE-X验证机。

  

日本H-2A火箭总装车间进行吊装作业

  地球同步转移轨道运载能力为4.1吨、4.5吨和5吨的H-2A成本为7700万美元,而地球同步转移轨道运载能力分别为7.5吨和9.5吨的H-2A成本为9500万美元。

  日本目前正在为研制H-3火箭开展技术论证。H-3为三级火箭,将取代现役两级火箭H-2A和H-2B。其地球同步轨道运载能力为4吨,在使用固体燃料助推器的情况下可达6吨。该火箭可能在2020年前后首飞,它将有助于日本发射大型商业卫星、载人航天器和深空探测器,因为其发射费用将比H-2A便宜20%到30%。

  结束语

  为了满足日益增长的太空开发需求,人造地球卫星、飞船和空间站、空间探测器等航天器的体积和重量越来越大,因而要求发射这些航天器的运载火箭向大推力、高可靠、低成本和少污染等方向发展,为此,美国、俄罗斯、欧洲和日本都在积极研制新型大推力运载火箭。    

  我国长征五号火箭的总体运载能力已经超过了欧洲的“阿丽亚娜”-5和日本的H-2B,将在航天发射市场占有重要地位。长征五号横空出世,将推动我国航天事业快速发展。

  版权声明:本文刊载于《军事文摘》杂志2017年第2期,如需转载请务必注明“转自军事文摘微信号(mildig)”。


(作者:佚名)
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