長征七號改型發射失利,成長必須付出的代價社會焦點

    來源:  2020-05-01 21:45:13

  

(原標題:李會超:長七改型發射失利,成長必須付出的代價)

  【文/觀察者網專欄作者 李會超】

  3月16日夜,海南傳來了讓人扼腕的消息:長征七號改型火箭發射遭遇失利。

  前不久,長征五號遙三火箭剛剛將長五遙二火箭發射失利帶來的陰霾一掃而光,而長征七號改型火箭的失利卻又將讓航天技術人員們進入艱辛的歸零過程。

  失敗是誰都不愿看到的。然而,從國內外火箭的研制和使用情況看,發射失利卻又是不可避免的。發射失利最有可能出現在型號研制的早期,但在若干次成功飛行后也有可能出現,可以說是火箭成長中的煩惱。

  模塊化的新一代火箭

  長征七號火箭在2016年成功首飛后,2017年4月又將天舟一號貨運飛船成功送入太空。在這兩次火箭飛行過程中,長征七號火箭都是將載荷送入距離地球幾百公里的低地球(LEO)軌道中。而根據目前能夠得到的圖片,本次發射的長征七號火箭看起來比之前兩次更加修長。根據火箭的一般設計原理和網絡上流傳的信息看,這次火箭和長征七號前兩次飛行所使用的構型不同;鸺冮L的原因應該是增加了第三級,以發射進入同步轉移(GTO)軌道或更高軌道的載荷。

  

  網傳長征七號改火箭的外觀,比之前使用的長征七號火箭要稍長一些

  如果將火箭設計成僅有一級的結構,從起飛到結束工作都是一個整體,那么也就沒有一二級、二三級分離這樣的工作,火箭的飛行過程看起來就要簡單不少。然而,俄羅斯科學家齊奧爾科夫斯基在1903年提出的齊奧爾科夫斯基公式從理論上否定了這種“捷徑”的可行性。在這個公式中,火箭在工作期間所獲得的速度增量與發動機開始工作時的火箭總重m0和發動機結束工作時的總重m1相關,m0/m1的比值越大,火箭就能獲得越大的速度增量。

  于是,火箭設計師們提出了多級火箭的解決方案。通過不斷將完成工作的部分拋棄,火箭m0/m1的比值將不斷變化,火箭得以被“接力”加速,最終達到理想的入軌速度。使用多少級完成最終的入軌,根據載荷的軌道和火箭使用的發動機類型等因素決定。一般而言,發射的航天器需要進入的軌道越高,火箭也就需要使用越多的子級。對于長征七號而言,前兩次發射使用的基本型用于實施近地軌道發射任務,采用兩級構型。而當進行更高軌道的發射任務時,則需要增加一級。

  

  長征三號乙運載火箭飛行過程。來源:長城工業公司

  以長征五號和長征七號為代表的我國新一代運載火箭,極大的提升了我國火箭的最大運載能力。例如,GTO軌道的運載能力,以往性能最好的長三乙火箭為5。5噸,而長征五號基本型的GTO運載能力則可達14噸。

  但目前航天器的發展呈現出多樣化的態勢,并非所有的航天器都需要這么大的運載能力。因此,新一代運載火箭在設計時,采用了模塊化、通用化的設計思路。通過5米、3。35米和2。25米三種基本模塊單元,就可以組合出不同型號的火箭構型。在新一代火箭的三個型號中,芯級使用5米模塊的為長征五號,芯級使用3。35米模塊的為長征七號,芯級使用2。25米模塊的為長征六號。長征五號的基本型助推器,使用3。35米模塊,可以看做是長征七號的第一級稍加改動而構成的。而長征七號基本型助推器的2。25米模塊,則與長征六號的2。25米芯級基本相同。

  

  新一代火箭模塊化組合示意圖,摘自《中國運載火箭技術的成就與展望》一文

  使用這種靈活的組合方式,每種型號又可以變化出多種構型。以長征七號為例,其助推器有2。25米液體模塊和2米固體模塊可選,第二級的動力配置有多種方案可選,還可以視需要增加第三級或上面級。根據公開文獻報道,僅長征七號可選的構型就多達16種,本次首飛的這種4個2。25米助推器+氫氧第三級的構型,GTO運載能力可達7噸。在這種構型的基礎上,如果減少助推器,則可減小GTO運載能力。在這種靈活的組合下,由長征五號、長征六號、長征七號組成的新一代火箭能夠形成GTO運載能力1。8噸-14噸,LEO運載能力1。2噸-25噸的覆蓋,從而能夠適應不同航天器的需求,在技術狀態穩定后基本可以替代上一代長征火箭。

  

  不同構型的長征七號火箭GTO軌道運載能力,摘自《我國新一代中型運載火箭的發展展望》

  成長的煩惱

  除了廣為人知的載人航天事故外,美國在衛星發射領域也經歷過一段黑暗的時刻。在1998-1999年間的8個月中,接連發生了6次火箭發射失利,導致價值數十億美元的衛星被毀。發射失利的火箭,既有當時的新型火箭Delta III型,又有比較成熟的Titan IV型。其中,一枚Titan IV型火箭未能將Milstar 2軍用衛星送入正確的軌道,導致了12。3億美元的損失,創下了美國當時單次發射失利損失的新紀錄。

  火箭是一種異常復雜的工業品,大量精密部件必須協同正常工作才能確保飛行正常。同時,航天發射的流程又是“一錘子買賣”,火箭一旦離開發射塔,接下來的所有飛行環節必須都正常完成,哪一個環節出現大的差池都會導致發射失利。汽車出現故障時,可以停在路邊等待維修,飛機出現故障時,可以尋求備降,但火箭卻沒有這種停下來等待修理完成后繼續上路的機會。

  

  發射天鵝座貨運飛船的“安塔瑞斯”火箭發射后爆炸

  一般而言,在一型火箭研發的早期,更容易出現故障。例如,歐洲的主力火箭阿麗亞娜5型,首發失利,第二發又部分失利。我國的長征二號、長征三號火箭的第一次飛行,也都未能取得成功。隨著飛行次數的增加、相關實測飛行數據的不斷收集,技術人員會對火箭可能存在的缺陷進行改進,火箭的可靠性會逐步提高。

  但也有一些隱藏的設計缺陷或質量問題會在火箭生命周期的某一時段出現。前文提到的Titan IV火箭三連敗,是在這型火箭第25-27次飛行。而目前SpaceX的主力型號獵鷹9型火箭,則在第19次發射中發生爆炸事故,損失了一艘向國際空間站補給貨物的龍飛船。此外,2016年獵鷹9還在地面的靜態點火試驗中發生星箭俱毀的爆炸事故。

  

  在地面靜態點火試驗中爆炸的獵鷹9號火箭

  如此看來,發射失敗可能是火箭設計和使用過程中必經的成長的煩惱,雖然我們感情上非常不愿意看到失敗的發生,但客觀上火箭的可靠性永遠沒法達到100%。如果繼續使用成熟的火箭,一定程度上也可以避免失利的出現,但這是以束縛住自己的能力為代價的。為了以后我們能走的更高更遠,承受失利所帶來的金錢和感情上的損失,可能也是成長所必須付出的代價。

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