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运载能力|想让中国火箭更有力 要靠这些“神操作”( 二 )


钱航说 ， 液体燃料发动机优点是燃料能量密度高 ， 比冲大 ， 容易实现流量控制 ， 可以用于机动或变轨 。 不过液体燃料不易储存 ， 大多需要在火箭发射前加注 。 我国传统液体燃料发动机火箭所用的偏二甲肼、四氧化二氮燃料 ， 更是有剧毒、强腐蚀性 ， 且易燃易爆 ， 十分危险 ， 对储存和加注工作有着极为严苛的要求 。 近年我国陆续问世的新一代运载火箭 ， 采用了液氢、液氧、煤油等绿色燃料 ， 对环境基本不会造成影响 ， 但存储和加注工作则更加复杂 。
固体燃料发动机的基本原理是点燃药柱 ， 燃烧产生大量高温气体从喷管喷出 ， 推动火箭前进 。 相比宋代就诞生的火药玩具窜天猴 ， 其结构和原理并没有太大改变 。 钱航介绍 ， 固体燃料发动机主要有3方面优点 。 首先 ， 相比液体燃料发动机 ， 其不需要燃料泵等复杂的机械结构 ， 结构更为简单且造价低廉；其次 ， 由于药柱是以固态形式存在 ， 其特性比液体燃料更稳定 ， 储存起来也更安全；此外 ， 由于结构简单 ， 固体燃料发动机可以做得很轻 ， 也更易于小型化 。 不过固体燃料发动机也有其劣势 。 例如燃烧时间相对较短 ， 比冲较小 ， 不能重复点火 ， 也很难实现推力调节 。 这都对它的任务适应性造成了制约 。
火箭发动机形式不分优劣 ， 也不能决定火箭的运载能力 。 虽然目前国内主要的固体燃料发动机运载火箭如长征十一号 ， 以及由中国航天科工集团研制的快舟一号甲均为小型运载火箭 ， 但在美国正在研制的SLS重型运载火箭身上 ， 也装着世界上推力最大的固体燃料火箭发动机 。
4项措施可有效提升火箭运力
运载能力是火箭性能最直接、最重要的参数指标 。 钱航介绍说 ， 火箭的运力主要由火箭总体设计水平、发动机性能与制造水平、箭体结构设计与制造水平等多种因素决定 。
他表示 ， 想要提高火箭运载能力 ， 主要有4方面措施 。 首先是在保持火箭构型不变的情况下 ， 通过优化级间比（第i级火箭的质量除以第i+1级火箭的质量 ， 是影响火箭理想速度的参数之一） ， 增加推进剂的加注量 。 长征三号甲系列、欧洲的阿里安5系列 ， 以及美国的猎鹰九号运载火箭 ， 都是通过这项措施 ， 使运载能力显著提高 。
结构优化减重是运载器设计的永恒主题 。 在今年7月9日实施的亚太6D卫星发射任务中 ， 长征三号乙运载火箭就是通过减重的方法 ， 将运载能力提升了50公斤 ， 以满足发射要求 。 钱航介绍 ， 在运载器设计和应用前期 ， 主要是通过改进工艺、选用新材料、优化传力路径等方式提高结构效率 。 火箭对箭体结构系统的轻质化设计有着更高要求 ， 一院火箭技术团队经过大量仿真计算和试验 ， 提出了主捆绑及发动机集中力双扩散结构、超大气瓶变形自适应支撑结构、捆绑起吊多功能一体化结构等多项新型轻质设计方案 ， 收效良好 。
发动机性能优劣 ， 直接影响着火箭运载能力 。 在美国航天飞机、猎鹰九号火箭的运力提升举措中 ， 提高发动机推力和比冲是重要环节之一 。 我国在长征五号运载火箭上使用了首次研制的膨胀循环动力方式氢氧发动机 ， 这是目前国际上比冲性能最高的火箭发动机 ， 并且具有高空多次启动能力 。
【运载能力|想让中国火箭更有力 要靠这些“神操作”】此外 ， 总体优化设计也是提升火箭运力的有效途径 。 钱航表示 ， 从火箭总体构型考虑 ， 可尽量选用推力大的发动机作为基础级动力 ， 为上面级选用高比冲发动机 ， 并开展载荷姿控联合设计降低结构载荷条件 ， 均可有效提升火箭运载能力 。


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