中国能否造出土星五号那样的巨型火箭?答案是:十年后见!

1969年7月16日,伴随着巨大的轰鸣,传奇般的土星五号巨型运载火箭发射升空,托举着阿波罗11号登月飞船飞向月球。土星五号是一个名副其实的巨无霸,它的长度超过110米,重量超过3000吨,近地轨道运载能力118吨,即使到了2020年,这些参数也超过了所有现役火箭。

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发射台上的土星五号

而中国在2020年5月成功发射了长征五号B运载火箭和新一代载人飞船试验船,在重型火箭领域的步伐越来越稳健,那么我们现在的火箭,能否达到上世纪60年代末土星五号的水平呢?

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长征五号B和新一代载人飞船试验船发射

答案是否定的,不光中国,连美国都难。土星五号的出现,有特定的时代因素,冷战期间的航天竞赛,催生了载人登月的需求,为了能把登月舱和指令舱一次发射上天,飞往月球,只有土星五号这种巨型火箭才能做到。

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土星五号发射升空

中国现在开展的空间站建设、载人航天以及深空探测等项目,用近地轨道运力25吨的长征五号已经能够满足绝大部分需求。不过,如果未来希望实现载人登月,登火星,甚至建设月球和火星基地的话,近地运力在100吨以上的超大型火箭就成了无法绕过的必需品。

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土星五号,航天飞机以及美国正在开发的SLS太空发射系统大小对比

那么制造一枚土星五号,都有哪些难点呢?中国现在是否具备了这些条件呢?我们来一一梳理一下:

680吨推力的F-1液氧煤油发动机

土星五号第一级使用五台并联的F-1型液氧煤油发动机,由洛克达因公司研制,是世界上推力第二大的液体燃料发动机(第一名是俄罗斯的RD-170,达到了740吨)。

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F-1液氧煤油发动机

F-1发动机采用燃气发生器循环,即在燃气发生器内燃烧一小部分燃料,以燃气驱动涡轮泵将燃料和氧化剂泵入主燃烧室。它的海平面推力高达680吨,五台并联后总推力达到3400吨,足以举起土星五号这样的庞然大物,并将其加速到预定速度。

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五台F-1发动机并联,与人相比更显巨大

中国目前最大推力的火箭发动机是120吨级液氧煤油发动机,在推力上与F-1的差距还相当大,不过采用了高压补燃循环,效率高于F-1发动机,最新的版本还加入了泵后摆技术。不过,要想实现推力上的跨越,还有很长的路要走。

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YF-100K——120吨液氧煤油高压补燃泵后摆发动机

值得欣喜的是,我国的500吨级大型液氧煤油发动机YF-480,已经完成了燃气发生器与涡轮泵的第二次联调试验,为整机研发和试验打下了坚实的基础。YF-480由航天六院开发,为双燃烧室结构,下图左边的大家伙就是它。

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500吨级液氧炼油发动机YF-480

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YF-480发动机的三维模型

虽然YF-480的推力比不上F-1,但通过增加助推器或发动机数量,以及优秀的总体设计,是能够作为土星五号这样的巨型火箭的第一级动力的。不过涡轮泵联试距离真正研制成功还有相当的距离,在短期内我们还看不到它的实际应用,需要等上多年。

100吨推力的J-2氢氧发动机

土星五号的第二级和第三级均使用了真空推力为100吨的J-2液氢液氧发动机,第二级使用了5台,第三级使用了一台。

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土星五号第三级,以及一台J-2发动机

J-2的推力和技术水平都不算很先进了,后来航天飞机使用的RS-25氢氧发动机,推力达到240吨,航天飞机退役后还被用在SLS太空发射系统上,而德尔塔4重型火箭的RS-68氢氧发动机推力达到了接近300吨。而反观我国最好的氢氧发动机——长征五号芯级使用的YF-77,地面推力为50吨,真空推力70吨,即使与J-2比,也有着很大的差距。

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YF-77燃气发生器循环氢氧发动机

虽然芯级火箭的氢氧发动机推力不见得是越大越好,但如果要搞运载能力超百吨的巨型火箭,靠YF-77显然不行。于是中国开始研制一款大推力氢氧发动机YF-220,推力达到220吨级,如果成功,将使中国跻身氢氧发动机先进国家行列。不过YF-220的进展信息相对较少,毕竟氢氧发动机的技术难度还是相当高的。

10米的最大箭体直径

土星五号第一级的箭体直径达到了10米量级,也是有史以来芯级最粗的火箭。要制造10米直径的箭体,需要极高的制造工艺水平。

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土星五号巨大的直径

要用薄薄的金属做出10米直径的燃料箱和构件,并且误差还要极小,这是对国家工业水平的巨大考验。我国长征五号芯级直径是5米,相比之前长征系列火箭的3.35米已经是很大的跨越,是付出了极大努力才实现的。而从5米再向10米冲刺,想必又是一道难关。

优秀的总体设计

在著名火箭专家冯·布劳恩操刀之下,土星五号的设计是非常成功的,完美的实现了送阿波罗飞船前往月球的目标,并且还发射了空间站“天空实验室”。土星五号表现出了极高的可靠性,在全部13次发射中无一失败。

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土星五号的13次发射

冯·布劳恩的能力有目共睹,但老牌航天强国的技术和工业积淀也是土星五号成功的保障。中国在航天领域仍是追赶者,长征五号与土星五号相比虽然只能算是个小同学,但在初期仍然出现了很多问题,中国航天在人才和技术方面还需要更多的积累。

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土星五号内部构造

中国力量:长征九号

前面讲了YF-480液氧煤油发动机、YF-220氢氧发动机、10米直径……有没有发现一种全新的长征火箭呼之欲出?它就是长征九号,中国航天未来的最强力量!

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长征九号的块头将远超现在的“胖五”,根据现有信息,它是三级半构型,采用10米直径的芯一级,装备4台500吨级YF-480发动机,再加上4个助推器,每个装两台YF-480,总推力高达6000吨。二级采用两台YF-220氢氧发动机,三级采用4台25吨级膨胀循环氢氧发动机,火箭总质量达到4100吨。

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网上流传的长征九号信息

长征九号近地轨道运载能力将达到140吨,月球转移轨道运力达到44吨,性能将超越土星五号,与美国正在大力研发的SLS太空发射系统相当。综合目前能得到的消息,长征九号的首飞时间大概要等到2030年,也就是10年后。不过,对一款巨型火箭来说,10年的研制周期并不算太长,希望长征九号能够不负众望,一飞冲天,将来我们建设月球、移民火星就全靠它啦!

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