葛明龙:美国民营航天企业启示 中国该如何借鉴?

2018-06-19 15:19 环球网 葛明龙

  美国民营航天企业启示和火箭技术创新发展

  葛明龙

  1. 新的发展动态

  1.1 猎鹰重型火箭成功发射

  马斯克(Elon Musk)的美国 Space X 公司于 2018 年 2 月 7 日成功发射猎鹰重型火箭。虽然够不上百吨級近地载荷的重型火箭标准,但 63.8 吨近地载荷也是自美国载人登月以来四十多年间世界航天最重载荷。他们率先实现火箭垂直降落和重复使用。还打破常规并联 27 个梅林-1D 发动机。声称火箭发射成本降低到 10% 水平。这些亮点使得这次发射在世界上比较轰动。

  美国猎鹰重型火箭升空

  美国猎鹰重型火箭回收

  1.2 新谢泼德火箭成功发射

  美国还有一家经济实力更强的民营航天企业,是贝佐斯(Jeff Bozos)的亚马逊公司下属蓝色起源(Blue Origin)公司。他同马斯克一样是以百万人可以在太空工作和生活为目标,现正在低调开发商业载人飞船和私人太空旅游飞机。该公司于 2018 年 4 月 30 日成功发射造型短粗和运载试验商业载人飞船的新谢泼德火箭。火箭也实现垂直降落回收。飞船则用降落伞回收。

  美国新谢泼德火箭升空。

  美国新谢泼德火箭回收

  1.3 发动机创新研究

  基于发动机是火箭的心脏,作者先行对火箭发动机的高可靠性、多次重复使用、低成本等问题进行了五年多的创新研究。截止 2018 年 6 月 12 日,提出了结构较简单和通用性好的无毒双组元推进剂系列火箭推力室、三组元推进剂火箭推力室、切换燃料火箭推力室、航空涡扇发动机与挤压式火箭发动机串联成一体的航空航天涡扇发动机(简称空天发动机)等发明。内容详见中国国家知识产权局的相关文献。

  根据以上动态,现对火箭及其发动机的创新发展发表看法。

  美国试验商业载人飞船回收

  美国太空旅游飞机方案

  2. 火箭及其发动机的高可靠性

  人们对飞机和航空发动机的高可靠性有足够认识和充分信任。但对运载火箭和火箭发动机的可靠性有较多负面认识和缺乏信任。这也难怪,因为美国航天飞机两次飞行失事使得 14 名乘员不幸殉职,前苏联和美国的多名宇航员牺牲,都给人们留下挥之不去的阴影。

  运载火箭比飞机飞得快和高多了,飞船从轨道返回地面遭遇很大的气动摩擦力,火箭发动机比航空发动机的燃烧温度至少高一千摄氏度,这些特点确实使得提高航天可靠性有大的难度。

  将来要使广大民众参与太空旅游,并使人们陆续登陆月球和火星,必须要把火箭及其发动机的可靠性提高到与飞机和航空发动机基本相当的水平。

  提高火箭发动机可靠性的根本办法是简化结构,降低技术难度;选用冷却性能好的再生冷却剂,加大内冷却剂流量;降低燃烧室温度和气体发生器温度;提高减振抗振水平;选用抗疲劳的新材料;自动检测故障的冗余设计;从难从严热试车;严格质量管理。

  一种以压缩空气为氧化剂、柴油为燃料和水为再生冷却剂的火箭燃烧室,能够连续工作数日向油井注热气进行热力采油。由此得到启发,火箭发动机大大提高可靠性是有潜力和可能的。

  中国航天一直坚持质量第一和高可靠性的方针。第一代运载火箭长征一至四号及其所用的五种发动机,具有很高的可靠性。迄今发射多于 270 次,成功率高于97%,达到世界先进水平。特别是用金奖发动机推进的神箭,已把 14 人次的英雄航天员送上天并平安返回,举世瞩目。

  火箭发动机的单机并联数一般不多于 12,重复使用次数应达到 50—200 次。根据多机并联和多次重复使用的需要,火箭发动机的单机可靠性需大幅度提高到 0.9999 至 0.99999 才能满足要求。

  中国神箭运载航天员升空

  3. 多机并联和多次重复使用的可靠性分析

  多机并联和多次重复使用发动机的可靠性可用以下公式进行估算:

  A = B ^ c d

  式中:A 为并联发动机可靠性 B 为单个发动机可靠性

  c 为单机并联数 d 为重复使用次数

  ^ 为指数符号

  如果梅林-1D发动机可靠性 B = 0.99,猎鹰重型火箭的单机并联数 c = 27,首飞d = 1,由该式算出并联发动机的可靠性只有 A = 0.762。今后重复使用 d = 2、3、4••••••,可靠性低至 A = 0.581,0.443、0.338••••••。显然,按如此低的可靠性数据是不能进行发射的。

  如果梅林-1D发动机可靠性提高到 B= 0.999,则算出猎鹰重型火箭并联发动机可靠性 A = 0.973、 0.947、0.922、0.898••••••。按此数据尚可发射。

  以往用的 3 型猎鹰 9 号火箭和猎鹰重型火箭的实际重复使用次数只有一次(d=2),据此判断 3 型梅林-1D发动机可靠性 B 未必达到 0.999。

  2018 年 5 月 11 日首飞成功的 5 型猎鹰 9 号火箭,重复使用次数要达到 10 以上并准备接受载人航天任务。5 型梅林-1D发动机的可靠性定高于 0.999。尽管如此,猎鹰重型火箭执行载人绕月飞行任务仍然暂时取消。显然与可靠性不足够高和飞行试验次数少有关。

  如果梅林-1D发动机的可靠性高达 B= 0.9999,单机并联数 C= 9,重复使用次数 D= 2—10,猎鹰 9 号火箭并联发动机的可靠性 A= 0.998—0.991,完全可以执行载人飞行任务。对于执行载人绕月飞行任务的新型猎鹰重型火箭,单机并联数 C= 27,重复使用次数 D= 2—4,并联发动机的可靠性 A= 0.995—0.989,飞行成功比较有把握。

  如果单个发动机可靠性高达 B= 0.99999,单机并联数 C= 12,重复使用次数 D= 50—200,算出并联发动机可靠性 A= 0.994—0.976。基本满足要求。

  由于多机并联和多次重复使用显著降低发动机可靠性,单机并联数不宜多取。飞机的发动机数目为 2、4 或 6,我国火箭发动机的并联数为 4、6 或 8,还是这样科学。火箭发动机并联数一般不宜超过 12。

  美国猎鹰重型火箭 27 机并联

  4. 火箭及其发动机的多次重复使用

  4.1 垂直发射垂直降落

  马斯克知道回收火箭重复使用可大蝠度降低成本,因而花大力气攻克运载火箭重复使用的难题并取得实效。运载火箭垂直降落和回收再用是他们的最大技术成就和首创。

  但是,运载火箭垂直降落回收的技术难度很大,不容易成功。猎鹰重型火箭是由三个猎鹰 9 号火箭排成一行并联而成。两侧的助推子火箭工作完毕后与芯级子火箭分离,飞向回收平台或落点靶圈的上方调整为垂直姿态,然后垂直降落用三个支架稳稳落在海上回收平台或者准确落在陆地落点靶圈内。芯级子火箭通过调整计算减小发动机推力而比助推子火箭多工作 30 秒,以增加有效载荷和错开回收时间。各子火箭回收过程的姿态控制及发动机推力调控都有一定难度。

  猎鹰 9 号火箭的回收经历了多次失败。猎鹰重型火箭在成功回收两个助推子火箭的同时仍有一个芯级子火箭回收失败。这种回收是有代价的,要消耗不少推进剂。另外,梅林-1D 液氧煤油发动机是用冷却性能有限和易结焦的煤油作为再生冷却剂,这也是猎鹰火箭重复使用次数有限的原因之一。

  4.2 垂直发射水平降落

  美国 NASA 研制的航天飞机、X-37B 空天飞机和将于 2020 年发射的 XS-1 试验太空飞机都是采用垂直发射和水平降落。这种回收方式技术难度较小,回收可靠性高,着陆平稳和回收次数增多。

  中、俄等国也都在积极研究垂直发射水平降落的回收方式。计划于 2020 年首飞的中国空天飞机采用一级背着二级的设计,能实现一、二级的全部回收。

  要实现火箭发动机的多次重复使用,宜开发作者提出的新火箭推力室。重复使用次数与所用推进剂相关。液氧煤油可达 10 次,液氧甲烷可达 25 次,氢氧、氢氧煤油三组元和切换燃料可达 50 次,中等浓度过氧化氢煤油或液氢或NHMF燃料及切换燃料有望达 200 次。

  美国 XS-1 试验太空飞机垂直发射升空

  XS-1 释放二级火箭

  XS-1 对准跑道水平降落

  中国空天飞机设想图

  5. 火箭及其发动机的低成本

  5.1 降低技术难度利于产品低成本

  马斯克是自掏腰包涉足航天领域,关键时刻倾囊而出。他深知节省开支和降低成本的重要性。他很早就去俄罗斯考察和谈判引进大推力液氧煤油发动机,由于对方要价高而未谈成。所以下决心自行研制发动机。他们自行研制的梅林-1D 液氧煤油发动机地面推力只有 86 吨,是我国 YF-100 液氧煤油发动机推力的 70%;他们用简单的燃气发生器循环而不是复杂的高压补燃(分级燃烧)循环,梅林-1D 比 YF-100 的地面比冲小 6.2% 。但是,这样做的技术难度小,可以大大缩短研制周期和降低产品成本。猎鹰重型火箭用 27 个批量生产的低成本梅林-1D 发动机并联,再加用上回收重复使用的产品,声称发射报价只有 9000 万美元,是美国发射类似火箭报价 9 亿美元的 10% 。

  我国坚持 4、6 或 8 机科学并联,通过上述简化结构等提高可靠性的措施,也可以降低大推力发动机的技术难度,缩短研制周期和降低产品成本。

  5.2 很多次重复使用利于降低发射成本

  马斯克还提出要把火箭发射成本降低到 1% 的水平。这是必要的,因为只有这样才能使月球和火星的开发在经济上承担得起。才能使太空旅游普及到富裕民众。

  要实现火箭发射成本降低到 1% 水平,必须使得火箭及其发动机的重复使用次数超过 100 次。扣除每次发射的推进剂费用、产品维护检修费用和发射台使用费用,就不难确定对应于 1% 发射成本的具体重复使用次数。

  5.3 水平起落降低发射成本

  火箭发动机不能利用大气中的氧气进行燃烧,需消耗大量氧化剂,既不经济,又使运载火箭的体积和质量厐大。如改用水平起落的小而轻空天飞行器及其主要用空气的空天发动机,就可以大大降低发射成本。

  源于英国云霄塔火箭的水平起落运载火箭及其吸气与火箭组合式发动机(复合预冷发动机),是最先进的空天飞行器及其发动机,计划重复使用 200 次。英、美、中、日等国都在积极研究这种单级入轨或双级入轨和全部回收的有翼火箭及其发动机。由于技术难度大,各国分别研究了几年或几十年,都没有达到实用试验阶段。中国的单级入轨火箭计划于 2030 年试飞。另外,由于用的是液氧液氢冷冻型推进剂,将来即使应用也得有专用机场。

  相比之下,作者提出的空天发动机使用无毒可储存推进剂更方便,技术难度小得多。鉴于中国人出境游每年已超过一亿人次,大众太空游会有好的市场前景。前提是确保安全可靠,成本降低到大批人能承受的程度。因此,宜开发有自主知识产权的空天发动机,用来推进亚轨道先期太空旅游飞机。

  6. 几种重型运载火箭方案

  下图是国内外几种重型运载火箭方案。近地载荷在 130 吨以上。

  左一是美国 NASA 的载人登火星运载火箭。一边使用一个 1000 吨推力的固体助推器。芯级火箭使用四个单机推力 200 吨的高压补燃氢氧发动机。

  左二是可载人登月用的中国长征九号运载火箭。有四个助推火箭,用的是单个 480 吨推力高压补燃液氧煤油发动机。芯级火箭用的是两台单机推力 220 吨的氢氧发动机。

  右一是美国 Space X 公司的火星开发火箭。是猎鹰重型火箭的放大,并把梅林-1D 液氧煤油发动机换成新研制的 200 吨推力液氧甲烷发动机。

  右二看似俄罗斯重型运载火箭。

  对比左一和右一,可以看出美国民营航天企业已经与美国国营机构并驾齐驱。而且 Space X 公司的火星开发火箭是垂直降落回收和多次重复使用,更胜一筹。

  几种重型运载火箭方案

  7. 结论性意见

  美国的大企业家马斯克和贝佐斯有开发火星的远大理想。毅然投巨资开发重型运载火箭和太空旅游飞机。在火箭及其发动机的回收重复使用和降低成本方面,马斯克先行一步做出表率,有很好的启示作用。

  我们要紧紧围绕提高可靠性、多次重复使用和降低成本的核心问题下功夫,走自己的发展道路。作者提出的新火箭推力室和空天发动机可供选择。

  鉴于猎鹰火箭及其发动机的可靠性正在不断提高之中,我国的单个火箭发动机可靠性也要大幅度提高到 0.9999 至 0.99999。这样才能满足多机并联和很多次重复使用的要求。

  鉴于火箭垂直起飞垂直降落有技术难度大和成功率不太高的缺点,应当采用垂直起飞水平降落乃至更好的水平起飞水平降落方式进行火箭回收。

  鉴于 27 个单机并联和多次重复使用会使发动机可靠性明显下降,应当研制可靠性高和具有多次重复使用能力的大推力火箭发动机,坚持我国运载火箭的 4、6 或 8 机科学并联。发动机并联数一般不要超过 12。发动机重复使用有望达 50—200 次。

  鉴于釆用燃气发生器循环会使发动机比冲下降较多,在我国已掌握高压补燃(分级燃烧)循环技术的情况下,应当保持高性能特点。还可以采用中压补燃(分级燃烧)循环技术及另从简化结构等方面降低技术难度。

  贝佐斯先行研制太空旅游飞机有利于满足人们太空旅游的需要,但面对私人富豪不可取。我国人口众多,应面向富裕民众。用空天发动机推进亚轨道先期太空旅游飞机,可使乘客短时间体验失重和从 50 公里以上高度看地球和天空。

  中国国营航天企业要与时俱进。中国民营航天企业要技术和体制双创新。(作者曾于 2018 年 4 月 24 日在西安航天动力研究所讲课,本文是在讲稿的基础上进行内容压缩和补充而成。)

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责编:周扬
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