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九三网投·基于东风导弹技术 打造长征运载火箭

时间:2020-01-11 16:39:07 人气:1420

九三网投·基于东风导弹技术 打造长征运载火箭

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火箭发动机,人类玩火的极致(一)——德国a系列火箭

火箭发动机,人类玩火的极致(二)——美国红石火箭,v2的改良升级

火箭发动机,人类玩火的极致(三)——苏联r-7系列火箭

火箭发动机,人类玩火的极致(四)——美国“半人马座”上面级

火箭发动机,人类玩火的极致(五)——rd-170火箭发动机诞生,至今难以被超越

火箭发动机,人类玩火的极致(六)——单燃烧室最强推力 实现“阿波罗”登月计划

【文/科工力量 柳叶刀】

与很多国外运载火箭一样,中国运载火箭最早也是由远程战略导弹改进、发展而来的,从一开始就被蒙上高度神秘的面纱。1956年,国防部第五研究院(现为中国运载火箭研究院)成立后,钱学森担任院长,立即开始了地地弹道导弹的相关研究工作。

转接苏联导弹 继承德国技术

根据1957-1962年间的中苏合作协议,苏联转让了r-1、r-2陆基弹道导弹以及r-11f海基弹道导弹的训练与战斗模块、以及技术文件等。

苏联的r-1与r-2是德国v-2导弹的改进型号,前两者的基本技术思路与v-2区别很小。r-1基本上是利用德国的v-2火箭的残余零部件组装起来的(因为美国抢在苏联前面,先将技术人员、资料与完整部件运回国内),其rd-100发动机沿用v-2的液氧/酒精推进剂方案,发动机核心组件蒸汽发生器继承了v-2的双氧水分解产生动力的方式,驱动涡轮泵。

因为r-1是在德国人的帮助下进行复原的,苏联人同时也独立组织了一批自己的工程师,研制r-2导弹,其射程是v-2的两倍。其rd-101发动机设计与rd-100相比,高度降低,质量减小,结构更为紧凑,推力增加。蒸汽发生器有所改变,改用固体催化剂分解双氧水。

最初的东风-1导弹就是仿制苏联的r-2。1958年,在苏联顾问的帮助下,国防部第五研究院开始复制工作。东风-1采用一台rd-101发动机,所以推进剂、蒸汽发生器、涡轮泵基本继承自r-2。另外,东风-1与r-2两者的北约代号都是ss-2,从中也可见二者技术的相似之处。随后第五研究院于1960年开始独立研制东风-2导弹,在消化苏联r-2技术的基础上进行改进,仍采用液氧/酒精推进剂,但射程增加。

与美苏一样,中国的技术人员也需要克服液氧常温下,大量挥发、难以保存难题。所以,东风-3导弹改变策略,推进剂改为偏二甲肼/硝酸。同时,将四台yf-1发动机并联(即yf-2)作为动力,地面推力提升至104吨。后来的东风-4(二级结构)与长征一号运载火箭的第一级都是采用东风-3导弹的动力设置(稍加改进)。

yf-2发动机有四个燃烧室,每个燃烧室都有自己的涡轮泵。yf-2就是4个yf-1单燃烧室发动机并联组合在一起的。yf--1发动机可以看做是一个基本型号,长征一号运载火箭的一、二级使用的几型发动机都基于yf-1的改进或组合

yf-1发动机的推进剂采用偏二甲肼/硝酸,与双氧水分解驱动涡轮泵不同,yf-1采用燃气发生器循环,即导入部分推进剂进入发生器燃烧,产生燃气驱动涡轮泵。

“东风-3”、“ 飞毛腿b”、“劳动”这三型导弹的发动机结构相似

如果忽略大小,单从外观结构上看,yf-1发动机与苏联的飞毛腿b(scud-b)发动机、朝鲜的“劳动(nodong)”弹道导弹的发动机非常相似。前面提到的r-11的最终改进设计版为r-17,也被称为“飞毛腿b”出售到全世界。在中苏最初的合作协议中,就有转让r-11f约定。相关资料显示,朝鲜的“劳动”弹道导弹的大量技术也是来自“飞毛腿”导弹。

yf-2发动机的四个燃烧室都配备各自的涡轮泵,因为发动机采用的是开式泵压循环,所以燃气驱动涡轮后,直接排放到外部。虽然yf-2与苏联的rd-107同为四燃烧室发动机(笔者在《火箭发动机,人类玩火的极限——苏联r-7系列火箭》一文已介绍),但rd-107的所有燃烧室中推进剂的注入都是由一个涡轮泵单元提供动力,所以rd-107发动机上部的结构更简洁。当然采用一个涡轮泵,需要克服推进剂等量均匀注入燃烧室的问题,按照中国当时的技术水平,在yf-2合并使用一台涡轮泵可能存在困难。

在冷却发动机推力室方面,yf-1发动机与早期的苏联火箭发动机一样,都是采用再生冷却循环(德国的技术),燃料从推力室的底部流经喷管夹层,冷却推力室的同时并预热燃料。因此,可以看到在发动喷管外周有两根分叉的导管,接入喷管下部,燃料由此进入,起到再生冷却作用。

开式泵压循环、再生冷却循环

yf-1涡轮泵的剖面结构,从资料图上看,yf-1的涡轮泵采用的是普遍的单轴设计,燃料泵和氧化剂泵分别位于涡轮的两侧,中间圆盘状为提供动力的涡轮。这样的设计思想与最初的v-2发动机涡轮泵的结构设计相似

不过值得注意的是,在涡轮泵结构方面,中国的yf-1发动机与苏联的飞毛腿b(scud-b)发动机、朝鲜的“劳动(nodong)”弹道导弹的发动机存在差异。后两者涡轮泵虽然仍是单轴结构,但是涡轮位于单侧,并非燃料泵与氧化剂泵之间。

在涡轮泵中,涡轮位于最右侧(红色方框),氧化剂泵与燃料泵位于左侧

基于东风-4导弹 研制中国第一枚运载火箭

1966年,根据国防科委的要求,当时主管航天部门七机部就确定,我国第一枚卫星运载火箭选用东风-4液体导弹。1967年提出了长征一号运载火箭方案。该型火箭是三级结构,火箭的一、二级在东风-4号基础上进行修改。第一级采用的是yf-2a发动机(即四个yf-1a火箭发动机并联),推进剂为硝酸-27s/偏二甲肼组合。第二级采用yf-3a(即yf-1火箭发动机的改进增强版)。

长征一号运载火箭尾部可见四个yf-1a火箭发动机并联

该型火箭的第三级与如今普遍类型的三级有所不同,其采用的是fg-02固体火箭发动机,使用高氯酸铵-聚硫橡胶复合固体推进剂。一般来说,火箭的第三级需要实现高空启动点火,需要一定的技术水平。相比于液体发动机,固体燃料无法多次点火(推进剂一次燃尽),这就给火箭的姿态调整带来挑战。不过,长征一号在其后来的衍生型号中,第三级有采用四氧化二氮/偏二甲肼液体燃料发动机。

长征一号运载火箭共进行了两次发射,1970年4月24日,将东方红1号卫星送入轨道。1971年3月3日,又将实践一号科学卫星送入轨道。

长征二号技术积累 奠定中国运载火箭坚实基础

长征一号顺利发射成功后,紧接着新研制的东风-5洲际弹道导弹成功发射。在东风-5的基础上又研制长征二号系列、长征三号系列、长征四号系列。这三个系列成为中国航天工程的骨干运载火箭。与长征一号系列运载火箭不同,后三个系列的一、二级基本采用四氧化二氮/偏二甲肼作为推进剂。

在长征三号系列运载火箭中,第三级使用氢氧火箭发动机作为动力

长征二号系列运载火箭一般认为由风暴一号、长征二号、长征二号丙、长征二号丁、长征二号捆、长征二号f这6种型号组成。实际上,风暴一号有时也被称为“新长征一号”,但是其动力和推进剂与长征一号系列相比,发生改变。

在长征二号系列中,其第一级动力来自yf-20发动机或者yf-21(四台yf-20的组合)。yf-20发动机通常也与yf-23游动发动机(四燃烧室结构)配合构成第二级火箭动力,实际上二级动力搭配恰好组成yf-24火箭发动机。

yf-21发动机(左)由四台yf-20发动机(右)而成组合。一级四台发动机安装在一个圆周上,可以沿着圆周摆动,以控制火箭的飞行,总推力约2940千牛,1秒钟消耗约1150千克推进剂

yf-24发动机,由主发动机yf-20的改进型与yf-23四燃烧室游动发动机组成。二级中心安装的主发动机,推力约735千牛,1秒钟消耗约255千克推进剂。在主发动机顶部安装一台游动发动机,包含四个推力室,其总推力约为46千牛,1秒钟消耗约16.6千克推进剂

以暴风一号为例,其一级动力来自四个yf-20a,二级动力由一台yf-22(yf-20火箭发动机的喷嘴扩大版本)和一台yf-23游动发动组成。长征二号系列其他几个版本也采用这样的动力设置。另外,在其捆绑型中,助推器并非采用固体燃料,动力仍来自yf-20液体发动机。

长征二号运载火箭一级单台发动机yf-20结构,涡轮泵中涡轮设置在单侧,燃料再生冷却推力室,涡轮排气加热液氧增压贮箱

关于游动发动机的概念,笔者在《火箭发动机,人类玩火的极限——苏联r-7系列火箭》一文中提到,r-7火箭的芯级动力rd-108与助推机器rd-107,都配备游离发动机。一般来说,此种游离发动机的动力也来自于推进剂。

yf-24中游动发动机的四个燃烧室共用一个涡轮泵,给它们注入推进剂。主发动机单独使用另一个涡轮泵。两者都是采用开式泵压循环,驱动涡轮后的燃气都最终排出发动机外部。

yf-24的游动发动机与主发动机布局

游动发动机的四个推力室都能够沿圆周单向摆动,用于控制火箭二级的飞行,还可以用来消除主发动机关机后残留推力偏差,也可以让它长时间工作,以增加火箭二级的飞行时间,提高二级火箭发动机关机时的飞行高度。

长征二号运载火箭一级和二级都采用了摆动发动机方案,这与过去使用燃气舵相比,是一个很大的技术进步。长征一号运载火箭使用的是燃气舵(德国v-2火箭也使用燃气舵),放在发动机喷口处的燃气流中,只能改变部分燃气流的喷射方向,可提供的控制力小,还降低了喷流的速度和发动机的效率。而通过摆动发动机,可以改变全部燃气流的喷射方向,使摆动同样角度所提供控制力大大增加,同时燃气喷流速度不受影响。

与长征一号运载火箭一样,长征二号运载火箭二级安装的主发动机,也是以一级75吨发动机为基础改进而制造出来的,利用了一级发动机基本的技术和部件,这也节约了不少研制经费,并且缩短了研制周期。但是为了提高火箭二级飞行的灵活性,其游动发动机没有与主发动机共用涡轮泵系统,而采用了独立的泵系统,使得游动发动机在主发动机关机的情况下,也能独立工作,这对发射卫星的运载火箭是必要的。

长征二号运载火箭一、二级分离采用热分离方案。二级主发动机在一级发动机完全关机前点火,二级主发动机点火工作后,才利用爆炸螺栓切断火箭一、二级的联系,无用的火箭一级在火箭二级主发动机喷焰的推动下,离开正在工作的二级火箭。为了保证二级发动机喷焰从火箭两级之间尽快排出,火箭两级之间采用了斜拉金属杆连接方式,中间保留了很大的空隙。这样的一、二级分离方案实际上是继承自东风-4导弹。

“长征二号丙”运载火箭,在级间杆系及级间段,采用了斜拉金属杆连接方式,可能借鉴了苏联人的思路,因为r-7火箭也是这样的设计思路

结束语

长征二号运载火箭一级和二级发动机的研制成功,还有逐渐成熟的一、二级热分离技术,为我国后来的运载火箭发展打下了基础。利用这种发动机及其组合方式,还有一、二级的热分离技术,再加上后来发展的助推器捆绑技术,形成了我国“长征”火箭共10多种型号的大家族。

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