【航天】William: 長征五號第三射成功 中國航天事業進入新階段

2019-12-29 10:16:30 最後更新日期:2021-02-08 17:39:17
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

經過兩年半的調整、改進,長征五號終於於前天(27日)晚上8時45分再次升空,並攜帶實踐二十號驗證型大型同步軌道通訊衛星進入地球同步軌道,任務完滿成功。這標誌中國航天工程進入新階段,有能力發射更大的載荷,並令中國太空活動形式進一步多樣化。長征五號再次試射,不但吸引國內留意科技事業的人民所關注,也引起外國航天組織甚至軍方的關切。究竟長征五型為何那麼具重要性?

重獵鷹理論上有67噸的低軌道運力,是現時運力最大的火箭。然而由於火箭箭身直徑只有3.66米,搭載最大載荷其實會面對容易不穩的問題,加上載荷艙體積不足,63噸重量的太空載具幾乎沒有這麼小的,而更大的艙罩會進一步惡化重心,所以其實際運力也較小,對於發射巨型載荷也不太有利。事實上,現時獵鷹系列所載運過的載荷最重有15噸,可這是60個星鏈衛星連散播器擠在一起,才能放進載荷艙中,一般衛星可沒有這個"密度"。這點似乎要等大獵鷹火箭(BFR)完成才可以彌補了。(網絡圖片)

 

現時國際上運載火箭可依低軌道(LEO)運力分成幾個等級,分別是3噸以下的快速發射運載火箭(大部分都是退役固燃導彈改裝而來)、3-10噸的輕型運載火箭、10-20噸的中型運載火箭、20-30噸的重型運載火箭,以及30噸以上的超重型運載火箭。就一般火箭載荷而言,較重要的仍然是中型及重型運載火箭,因為性能較強的衛星及大型軍事衛星一般都在這個範疇內。長征五型的運載能力即屬於重型運載火箭之列。

長征五號的尾部噴流。由於助推火箭燃燒時間較長,而且總推力大8倍,某程度上助推火箭才相當於主火箭!這配置當然有好有不好,若果以大型固體燃料火箭(例:穿梭機的SRB)作為助推段,那動力可能更強勁,也不用那麼多助推,但其燃燒時間卻短30秒至1分鐘,比衝也低於液燃火箭。火箭配置選型往往是魚與熊掌的問題。(網絡圖片)

 

與過去運力最強的長征三號乙型(LEO 11噸)一樣,長五也是一種四助推火箭綑綁式運載火箭,但芯級只有二級半,比長征三號乙型少了一級,使用的技術是保守與先進並存,其四枚助推火箭和聯盟及獵鷹9型的主引擎一樣,都是使用較老式、比衝較低但相對可靠的煤油液氧火箭引擎YF-100,而主芯一級則使用西方常用的液氫液氧火箭引擎,型號為YF-77。這種火箭的優點是無毒、無積碳,而且比衝較高(簡單來說是燃燒及推進效率較高,這歸因於氫氧燃燒反應後膨脹速度更高),燃料泵系統採用開式燃氣發生器循環雙泵燃氣發生器模式,循環轉數大約10000轉 / 分。

YF-77的開式燃氣發生器循環引擎架構(左),是液氫(燃料)液氧(氧化劑)在預燃室燃燒後推動渦輪機,再進而推動燃料泵,結構較簡單但效率較低的問題在下文有述;煤油液氧引擎的比衝雖較低,但採用了效率較高的分級燃燒循環系統(右),富燃料的燃氣推動泵後再會流向燃燒室加壓燃燒,壓力及比衝更高,不過結構會較複雜且較重;YF-100這套燃燒循環系統發展時曾得俄國協助,可靠度就現時來說非常高。(資料來源)

 

發射前五分鐘留影,以及今次發射任務的紀念章。(網絡圖片)

 

總體來說,開式燃氣發生器循環引擎結構比較簡單,但因為氣泵用的燃氣會直接排出,不會加入燃燒室加壓造工,效率(比衝)會稍差,另其推力亦只屬中型級數,所以芯級佈置兩個引擎(而歐美日的大型氫氧液燃火箭配備大推力引擎一個)。雖然主芯級引擎佈置是西方系(俄系火箭的燃料仍主要用RP-1煤油與毒火箭燃料偏二甲肼,除了只射過兩次的能量號主芯級),長征五號的構形其實比較接近俄系,因為其助推火箭不但是用煤油液氧引擎,而且在升空階段所提供推力比主芯大得多;事實上,首173秒的主要動力是來自四支助推火箭的YF-100引擎(總推力是主芯級的8倍以上),而且脫離時剛剛超過100公里的高度,進入大氣層的熱層階段,空氣已稀薄得幾乎等如沒有,推力較小的主芯級也更容易繼續將載荷推入所需軌道。

現時西方最重要的兩種重型運載火箭,左是載荷艙空間最大及運力第二高的三角州IV重型火箭,右是發射最多的重型運載火箭亞里安五號。兩者的質量都明顯小於長征五號100-140噸。(網絡圖片)

 

這種組合可說有好有不好,好的地方當然是芯級採用結構較簡單而效率較好的液氫液氧引擎組合,助推段則使用更成熟可靠的煤油/液氧組合,相對減輕研發難度,而且在脫離大氣層前還是多引擎模式運作,必要時調控推力都較容易,更重要的是方便大量生產(YF-100引擎同樣是長征六號及長征七號的芯級,未來有很大需求);不好的是除了火箭引擎種類較多較複雜外,火箭全重更重:亞里安5型附兩支大型固體火箭助推段大約777噸(最大載荷21噸),但長五基本型大約在870噸以上,重了約100噸,多了的重量主要來自增加的燃料及多兩支的助推火箭(這裏就更不好比總重只有733噸,但低軌道運力有28噸的三角洲四號重型運載火箭了)。

燃氣推動火箭燃料泵示意圖。長征五號遙二失敗的調查報告曾找過同期生產的燃料泵,發現部分的軸承附近有很細的裂痕,可能就是那次事故引擎停機的原因。(網絡圖片)

 

今次長征五號火箭是事隔兩年半後第一次發射。事實上頭兩次發射都有瑕疵,第二次發射更是失敗收場。關於事故原因,去年中已有公報,主要是燃料泵發生故障,燃料輸送大幅減少,導致芯級其中一個YF-77引擎的推力大降,最終無法進入軌道而墜落太平洋。由於無法收集實物研究,只能透過回傳的數據進行評估,大約知道該燃料泵在極高溫及極高轉速下,結構或軸承處發生變形或裂紋,令壓力及轉速大幅下降,無法持續為引擎提供足夠燃料。這個事故有可能是製作出現瑕疵,或者當初設計強度不足所致。這兩年的檢討與重新設計,較多功夫用在改善火箭的燃料泵上,例如強化燃料泵的強度及機械性,並為燃料泵進行多次500秒以上的測試,其中一個引擎更累計測試達3000秒。

現時已確定建造的長征五號構形,分別是前三次測試發射的同步軌道運輸型(左),及只有一級半構形,用以向低軌道發射更重型、體積更大貨物的長征五號乙型。(網絡圖片)

早期規劃中透過轉換不同體積的載荷艙整流罩及助推火箭,可以製作出不同運力的長征五型。現時的構型即出自構型B及E。(網絡圖片)

 

長征五號的低軌道運力雖然有25噸,但頭三次試射所採用的是具備二級半構型,發射同步軌道(GTO)或以上的載荷,故箭身更高,不但有第二級火箭,同時還可選配遠征二號上面級,直接裝在載荷後方,以加速到不同的高軌道去。此時載荷最大運力為14噸(地球同步軌道),並沒有任何低軌道運力。具備低軌道運力的是長征5號B型,不但較短,而且只有一級半,載荷釋放後由附帶的入軌器上升及調整至所需軌道。這構形可以搭載最大體積的載荷,不過要到明年才開始發射。

經過濃縮的長征五號火箭發射過程。

  今次發射無論在研究團體、國內傳媒還是網絡上都有相當大的關注,一般人以為又是某種民族主義的表現,然而只要考慮到第一次試射的不完滿和第二次的嚴重挫敗,且又用了兩年半的時間進行改進,研究團隊及國內媒體不關注就很不可思議了;加上之前提過,長征五號對未來十至十五年中國航天發展十分重要,所以也成為各方關注的焦點。長征五號成功的意義其實很大,它代表的是中國航天發射能力一次大躍進及更多可能性,具體觀點如下:  

1. 正式突破3.35米的羈絆:

過去中國並非不能研製更巨大的火箭,但基於早年國防需要,發射場都是遠離海岸的三綫地區,中間只能使用鐵路運輸火箭殼體或大型燃料箱。由於地勢、軌距及轉彎幅度所限,鐵路貨運最大直徑限制就是3.35公尺。這尺寸運載ICBM完全沒有問題,但直徑更大的運載火箭就難搞了。這點要到海南發射場建成,能以船運運送火箭殼體才能完成。

由左至右,都是用於運送大型航天組件/載具/衛星的特殊運輸機,分別是美國的超級彩虹魚、美國的太空穿梭機運輸機及前蘇聯米亞舍夫的VM-T特殊外掛運輸機。(網絡圖片)

 

之前中國所遇到發射場在內陸、不能船運的問題,美國及俄國也遇過,解決方法就是使用特別改裝的客機、運輸機或轟炸機內裝或外掛大型載荷以進行運送,又或者使用更暴力的方法:直接把殼體工廠建在發射場附近,再由特殊運輸車運送(蘇聯拜科魯爾發射場的經驗,當然,這樣做的前題是方圓數十里都是荒漠),然而由於中國早年並沒能研發重型飛機,運載大型火箭零件根本就無從入手。

專門建造以運載長征五號組件的遠望21及22號特種運輸船。美國的卡納維拉爾角、法國的圭亞那群島及日本種子島的發射場主要是用船運的。(網絡圖片)

 

自海南發射場完成及長征五號研發成功,今後載荷的尺寸也不再受3.35公尺的限制,能設計得更大(註:未必重了很多)、載荷設計的自由度其實更高,相當於設計人員可設計功能更齊全、性能更強大的衛星載荷。

 

天宮實驗室的組件,左為天和核心艙全尺寸模型,右為天問工作艙CG圖。(網絡圖片)

 

2. 能發射真正意義上的重型載荷:

事實上,長征五號之所以備受著目,除了因為它是中國最大型的運載火箭及第一支真正意義上的中重型運載火箭外,更與中國的太空站計劃緊扣一起。現時已經完成最後組裝工作的天和核心艙,正正在等長征五號三枝遙測火箭全部打完,就開始相關的發射工作,首先是試驗新世代載人往返的航天飛船,然後將天和、天夢及天問核心艙 / 實驗艙送上360公里高的軌道,組成天宮太空站。太空站初期工程完成後,將成為一個總重六十噸、可供三個太空人長期留守並各有一個載人往返飛船與貨運飛船對接的艙口。天宮太空站日後還可視乎情況作進一步槍充對接,最重能達到180噸。太空站的意義除了作為日後長時間太空停留及進行實驗外,還可作為太空補給及組裝中心使用(事實上80年代後期和平二號及自由號太空站計劃亦預留這種功能,但因冷戰結束及發射價格不便宜,在兩者「合體」而成今天的國際太空站時,已經取消有關功能)。

第一階段的天宮太空站預想圖。(網絡圖片)

據說這是KH-11偵照衛星(嚴格來說是升級版KH-11 CRYSTAL /KH-12)的唯一地面近照,不過這樣的照片處理實在………KH-12重量接近18噸,為保險計,幾乎全部都是由上一代重型運載火箭泰坦IV-E型包辦的。(網絡圖片)

 

除對中國2020年代十分重要的天宮太空站外,大直徑的載荷艙及超過15噸的正常載重量,更有助發射大型太空望遠鏡 / 對地光學觀察衛星,以及向更高軌道發射十噸以上的大型通訊衛星、以及不很重卻有十分巨型的摺疊天線的信號偵察衛星,亦即是說,如KH-11系列(15-20噸)、Lacrosse(12噸以上)之類的高性能大型偵察衛星,以及重型同步軌道通訊衛星,甚至訊號收集衛星(如天線長開後達100公尺的獵戶座系列),中國亦有能力發射。對於強化中國軍隊的衛星偵察能力方面,有很大的幫助。

實踐20號是一台8噸級實驗同步軌道大型通訊衛星,具備高速的衛星/地面激光通訊能力,以及速度極高的Ka波段通訊能力,「網速」是過去的三倍,頻寬也是過去的2.5倍。同時該星並作為霍爾電推系統的試驗星。其重量達8噸,是現時國內最大通訊衛星,同時裝有國內衛星最闊的電池板 / 天線陣列,完全展開時達40米闊。事實上,本載荷相關技術其實有一定的軍事意義。有趣的是雖已有多張照片公開,但這些照片全部避開衛星頂部的影像。(網烙圖片)

 

3. 為製造更大型火箭及深空探測打下基礎:包括長征五號在內的新長征系列,在技術上已進一步共通化並共用多種主要組件,如YF-100、YF-115及YF-50D/E引擎都在長征五、六及七號上使用,往後甚至可以互相通用,組合成更多樣化的運輸系統。不過更重要的是,建造長征五號的經驗(尤其是大型氫氧液體燃料火箭)其實更有助於日後建造更大的運輸火箭,例如尚在論證中、可能用於月球登陸的長征九號火箭。

最左側者為長征九型火箭想像圖,而右側更稍高一點者為SLS BLOCK II的貨運型。SLS BLOCK I的主芯級已在波音飛機公司的廠房中組裝完成,不過地面點火測試要到明年下半年才進行,發射升空更要到2021年。長征九型預期最快也要2029年才能開始試射。(網絡圖片)

 

另一方面,因為缺乏資金及更大型的發射載具,中國極少接觸深空探測這範疇。若要發射能前往更遠的行星進行深空探測,火箭需要更大的載荷及尺寸(除搭載探測器本體,更要裝入更大空間推進火箭以持續加速),例如探測土星的維更斯號便要5.5噸、探測木星的朱諾號也要3.6噸;至於更遠程的探測器(如近900公斤的航海家號)更需要一個較大的上面級進行加速,才能達到預期的速度。過去美國發射這些載荷,都要用到LEO達18噸級以上的中重型運輸火箭,例如擎天神5號(551構形)、泰坦III-E / IV-B型等。長征五型入役及日後的大量使用,足以較容易的讓深空探測器加速到足夠的脫離速度,為中國航天的深空探測提供了真正可行性。

自中國航天界第一個探測其他行星的載荷-螢火一號在搭俄國順風車時墜毀,中國便決定要以自己的火箭發射行星探測器。圖為2014年公開的火星探測器螢火二號(五噸級)預想圖。由右至左,依次為軌道器(著陸器未分離)、著陸器 / 實驗室及火星車。(網絡圖片)

總結:

「我們的征途是星辰大海」是內地網絡界的一句名言,一般相信是來自90年代至2000年代內地很流行的日本科幻小說《銀河英雄傳說》及其同名動畫的著名台詞,而這名句也於確認發射完滿成功後出現在指揮部的屏幕上。一般人可能覺得很「中二」,但事實上這很有代表性:在場大部分研究人員只有三十多歲或以下,本來就是這個世代中出生與長大的,同時也是他們參與航天事業的願望;誰沒年青過?誰不想超越可觸及的疆界?對他們而言,長征五型事實上是開啟新一代航天事業的「鎖匙」,而這「鎖匙」歷經萬難才能初步成功,他們可謂居功至偉,而這句話可說充分反映他們的願景與心聲,「中二」一點,那又何妨?

 

發佈於 博評
By 2019-12-29

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