纵谈长征五号火箭总体设计论证时所出现的两处重大失误.doc
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1、-!纵谈长征五号火箭总体设计论证时所出现的两处重大失误长征五号遥2火箭发射失败折射出中国新一代火箭在总体规划论证时就存在的诸多隐患问题,现在有必要进行一番总结,以警示后人。第一节, 火箭运力“够用就行”思想为长征五号芯级构型设计留下重大祸患。二十世纪晚期,长征五号火箭运力上限设计区间完全是围绕发射中国未来的空间站舱段平台来规划的,而中国未来空间站舱段平台的重量上限区间又受到前苏联和平号空间站舱段平台设计思想的深远影响,结果前苏联质子火箭最高LEO运力23吨的设计指标就原封不动被带入中国。这实际上就是今天长征五号火箭LEO运力上限最终定位于25吨指标的最重要原始来源,即完全继承了前苏联的质子火箭
2、LEO运力的上限区间(最后多出2吨是保持一定运力的“裕度”)。与之相反,长征五号GTO运力14吨的设计指标却完全是“走到那里算那里的投机产物”。因为在二十世纪晚期(即1990年左右)中国开始酝酿长征五号火箭构型方案时,只有中国921空间站工程的低轨道运力需求是完全明朗的(即与前苏联质子火箭LEO23吨的运力上限区间完全相同)。而GTO轨道运力需求则完全不明朗(欧洲阿里安五火箭研制成功20年后,其GTO运力上限还徘徊在10吨左右),也不是长征五号火箭设计规划时所要关注的“重大关键节点”,因此“走到那里算那里”。至于嫦娥五号月球取样返回工程的提出,那已经是公元2000年以后很远的事情了。而我在高凉
3、陈君载人登月与航天研究文集(本书在互联网上很容易就能够搜索到)一书中就用了很大的篇幅来论述人类火箭运力“质子瓶颈”所带来的重大负面影响。结果想不到今天这个质子瓶颈又“坑”了中国长征五号火箭一次,现在细细回想起来依旧让人叹息不已。那么“质子瓶颈”是如何坑了今天中国长征五号火箭的呢?!其影响的传递过程就如下。第一步,中国在规划长征五号火箭的LEO运力区间时,就先入为主“画地为牢”参考了质子火箭的运力上限区间,即也同样设定LEO运力上限区间为23吨左右。反正当年前苏联的和平号空间站舱段平台最重的也不到23吨,也“够用了”。而中国921空间站工程在规划研制时就深受和平号空间站的建设经验影响,这也是众所
4、周知的事情。第二步,当长征五号火箭的LEO运力上限区间明确为与质子火箭相同的23吨之后,中国的科学家们就开始具体细化中国长征五号火箭的芯级构型方案。在原始版本的长征五号火箭主芯级规划中是没有使用YF77氢氧发动机的设想方案的。而是完全基于YF100煤油发动机平台参考“长二捆”火箭的演进发展路径,也依样画葫芦来研制一款YF100发动机版本的“超级长二捆”火箭就算交差了事。当然,那时的这一款火箭还尚未命名为长征五号火箭,而是笼统地叫做“921工程火箭”,其具体的构型设想目前在外国的英文航天百科网站上还能够找得到。问题的关键是后来YF77氢氧发动机由于“种种原因(这其中的演变与竞争角逐至少可以再写一
5、本厚达500页以上的书)”一下子演变为长征五号火箭的主芯级发动机,而原始基于YF100煤油发动机要打造中国的“超级长二捆”火箭的设想随之彻底破产。至此,“质子瓶颈”开始坑长征五号火箭的外围因素逐渐形成。第三步,参考欧洲阿里安五火箭构型最终将长征五号火箭研制成功带入“大坑”。上面已经说到随着YF100煤油发动机版本“超级长二捆”火箭方案的流产,中国已经决定改为使用YF77低温发动机来研制长征五号火箭的主芯级。这时摆在中国面前的技术路径就只余下2条。A 一条是走前苏联能源号火箭的研制路线方案,即学习能源火箭并联4台RD0120氢氧发动机的路子,也并联4台YF77氢氧发动机来研制中国长征五号火箭的主
6、芯级。坦率而言,如果中国当年采用能源火箭的路径方案,起码就绝对不会有今天长征五号遥2火箭彻底失败事故的出现。因为主芯级并联4台YF77发动机,其中1台发动机在300多秒后意外停机熄火(而发生毁灭性爆炸则不可能挽救),其余3台YF77发动机延长工作时间后,依旧完全有能力将长征五号火箭的第二级与载荷组合体送入LEO轨道(即目标停泊轨道)。但走能源火箭路径方案最大的“不利”之处就是研制主芯级时要同时使用4台昂贵的YF77低温发动机。反正长征五号火箭LEO运力上限区间从一开始就设定为23吨,因此当年规划设计长征五号火箭的科学家们“灵机一动”,何不改为使用2台YF77并联来研制长征五号火箭的主芯级?!并
7、联2台YF77研制长征五号主芯级当然要比并联4台YF77研制长征五号主芯级要便宜节省得多(表面上理解起来如此,可是今天长征五号遥2火箭失败所造成的经济损失保守估计就高达30亿人民币以上,折算为美元则高达4亿美元,按YF77低温发动机1台1000万美元价格计算,4亿美元足够购买40台YF77氢氧发动机了)。当年参与长征五号火箭构型方案具体规划论证的科学家们一定是这样想的。反正欧洲人研制的阿里安五火箭主芯级就单独使用1台发动机,所用的火神1低温发动机单台推力也只有110多吨。而中国的YF77低温发动机单台推力也有50多吨,那么就改为并联2台YF77发动机来研制长征五号火箭的主芯级就好了。结果这“单
8、纯”的一念之差就让长征五号火箭今天深陷困境不能自拔。一句话航天发射“成功重于一切”,能够最大程度确保绝对成功的火箭设计方案其实才是“最便宜、最经济的火箭构型方案”。否则的话只要一发射失败,所有的一切经济成本投入就通通“湮灭归零”了。B 改走欧洲阿里安五火箭的路子让今天长征五号火箭意外深陷重围。中国在规划长征五号火箭时与当年欧洲规划研制阿里安五火箭时最大的不同就是长征五号火箭的最大LEO运力需求从一开始就非常明确,那就是必须达到质子火箭LEO运力相同的上限区间,即LEO运力23吨此一“关键节点”。因为长征五号火箭的研制与“921空间站工程”是捆绑并行同时推进的。而欧洲当年研制阿里安五火箭时却没有
9、非常明确的运力关键节点区间需求,完全是“走到那里算那里”。只要能够成功替换掉欧洲原来使用有毒燃料的阿里安4火箭就了事。第四步,长征五号火箭开始深陷“减重”泥潭无法自拔。决定命运的关键时刻到来了。前文不是说了中国长征五号火箭的LEO运力关键节点区间是23吨吗?!是,一直都是。可是由于中国材料工业的落后与火箭箭体加工生产工艺技术的薄弱,长征五号火箭原始规划时确定的LEO运力23吨的“关键节点”,随着长征五号火箭研制的推进,后来由于“箭体超重”最后居然无法保证实现了。不仅如此,921空间站的舱段平台在建设过程中也一样出现“超重”问题。如此长征五号火箭LEO运力由于箭体超重下降了2、3吨,而空间站舱段
10、平台由于结构超重却又增加了1、2吨。这下可就引来了重大麻烦。按照目前能够搜索到的数据,长征五号火箭箭体超重问题所带来的影响极其严重与深远。如果不进行火箭结构“减重”就按原计划照常发射,有数据表明长征五号火箭的LEO运力最多只能够达到21吨的上限区间。这离发射“921空间站”舱段平台的LEO运力“原初关键节点”23吨(即就是前苏联质子火箭的运力上限区间)相差达2吨以上。加之空间站舱段平台本身也超重1吨多,长征五号火箭的LEO运力“关键节点”被一再提升,最后定格于今天的25吨为止。又由于长征五号火箭使用2台YF77发动机并联研制主芯级的构型方案早就已经“技术冻结”。结果从2012年之后,长征五号火
11、箭结构的“减重”问题开始成为长征五号火箭研制的头号心病。这也为中国载人航天管理机构在官方文件中屡次提到长征五号火箭研制必须“保运力”的观点所证实。也直接反映出长征五号火箭运载能力远逊于初始预期设想的重大问题。问题是火箭结构的“减重”却不是那么好减的,长征五号火箭箭体减重绝对是“牵一发而动全身”的重大事件(火箭结构减重与维持原来的高度冗余可靠性是典型的“两难冲突矛盾问题”)。目前外界人士(不是官方正式结论)初步确定长征五号遥2火箭的故障出现点主要有两个方面。一个可能的原因是部分增压输送管道在发射的过程中由于强烈震动等原因影响逐渐疲劳、失效、破裂、并开始泄漏,再导致后来出现小规模爆炸(有长征五号遥
12、2火箭的发射直播视频为证),最后直接导致主芯级一台YF77发动机彻底停机熄火。另一个可能的原因是YF77氢氧发动机本身的涡轮泵、各种接头阀门、高压燃气管道或者燃气发生器在发射时强烈震动的影响下出现失效、破裂与泄漏,再导致后来出现小规模爆炸,最后也直接导致主芯级一台YF77发动机熄火停机。因为直播视频已经表明长征五号遥2火箭主芯级的故障是“逐渐演化”的。在火箭整流罩分离之前泄漏就已经开始,之后又发生小规模的“爆闪爆炸”。但“设计的余度”还是支撑了YF77发动机继续工作飞行了三、四十秒钟之后才彻底熄火停机;而另一台主芯级发动机则并不受此一故障影响还能够继续工作。当然,长征五号遥2火箭具体故障原因的
13、确定,就只能够等待日后官方正式文件公告了。但高凉陈君认为长征五号火箭研制后期的“减重”过程与今天长征五号遥2火箭故障的出现多少都存在“说不清、道不明”的密切关系。因为长征五号遥2火箭的发射直播视频表明,故障过程明确无误是“逐渐演化”的,先是出现泄漏,再后来发生“小规模爆闪爆炸”,最后才导致1台YF77发动机彻底熄火停机;但主芯级的另一台YF77发动机却不受影响。因此这起码表明长征五号火箭的“增压输送管道”或者YF77氢氧发动机本身的“高压管道、各种接头阀门、涡轮泵与燃气发生器”一定存在某些先天的薄弱环节。但由于长征五号火箭研制的后期一直深受“超重问题”困扰,结果这些“先天薄弱环节”最后都被“有
14、意或者无意”地忽视了。毕竟长征五号火箭的LEO运力“关键节点”都已经无法保证了。这些“先天薄弱环节”再要“加强与加固”下,长征五号火箭的结构重量再增加2、3吨完全不成问题。结果就离保证长征五号火箭LEO运力25吨的“新关键节点区间”要求更远了。因此长征五号火箭的研制科学家们企图侥幸一下就“蒙混”过去。最后却酿成今天长征5号遥2火箭“星箭俱毁”的大祸。与之相反,欧洲阿里安五火箭在研制之初由于并不存在必须要确保“运力关键节点区间”实现的重大问题。完全是“走到那里就算那里”,结果研制过程反而要顺利得多。尽管阿里安五火箭的第一次发射也失败了,但原因却不出现在箭体与发动机等硬件问题上,相反是箭载计算机的
15、软件出现了故障,结果解决起来也要容易轻松得多。第五步,经过长征五号遥2火箭发射失败的现实沉重教训后,未来改进后的长征五号火箭LEO运力25吨这一新“关键节点区间”还能不能确保实现已经成为一个重大问题。由于长征五号遥2火箭的发射彻底失败,长征五号火箭所存在的“薄弱环节”的全面加固与加强势在必行。因为长征五号遥1火箭能够发射成功而遥2火箭却彻底失败,这本身就直接表明长征五号火箭的“增压输送管道”与YF77发动机本身的“高压管道、各种接头阀门、涡轮泵与燃气发生器”等等薄弱环节一直就处于“将败未败、将坏未坏的临界区间(即一直呈现走钢丝状态,侥幸遥1火箭就发射成功了,不幸遥2火箭就直接出现故障、结果“星
16、箭俱毁”。长征五号火箭关键部件的设计裕度由于“减重要求”的屡次挤压,早就已经消耗殆尽)”。因此当前再不进行全面的“加固与加强”就绝对无法再次执行发射飞行任务。但这就不可避免地让长征五号火箭箭体的重量再次大幅度“超重”。现在问题的关键是长征五号火箭“再次超重”后,LEO运力关键节点将无法确保,而解决的技术途径则已经不多。高凉陈君认为最经济可行、最节省时间与最低改进技术风险的方案只有两个。A 增加长征五号主芯级并联的YF77发动机数量(即研制4芯版的长征五号火箭)。当年美国人推进星座载人重返月球工程时,战神5火箭的研制就饱受“运力不足”问题反复困扰。最后战神五火箭解决的技术途径就是增加主芯级并联的
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