葛明龙:美国民营航天企业启示 中国该如何借鉴?

葛明龙:美国民营航天企业启示 中国该如何借鉴?

葛明龙:美国民营航天企业启示 中国该如何借鉴?

  美国的大企业家马斯克和贝佐斯有开发火星的远大理想。毅然投巨资开发重型运载火箭和太空旅游飞机。在火箭及其发动机的回收重复使用和降低成本方面,马斯克先行一步做出表率,有很好的启示作用。

  美国民营航天企业启示和火箭技术创新发展

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  相比之下,作者提出的空天发动机使用无毒可储存推进剂更方便,技术难度小得多。鉴于中国人出境游每年已超过一亿人次,大众太空游会有好的市场前景。前提是确保安全可靠,成本降低到大批人能承受的程度。因此,宜开发有自主知识产权的空天发动机,用来推进亚轨道先期太空旅游飞机。

  右一是美国 Space X 公司的火星开发火箭。是猎鹰重型火箭的放大,并把梅林-1D 液氧煤油发动机换成新研制的 200 吨推力液氧甲烷发动机。

  中国国营航天企业要与时俱进。中国民营航天企业要技术和体制双创新。(作者曾于 2018 年 4 月 24 日在西安航天动力研究所讲课,本文是在讲稿的基础上进行内容压缩和补充而成。)

  如果梅林-1D发动机可靠性提高到 B= 0.999,则算出猎鹰重型火箭并联发动机可靠性 A = 0.973、 0.947、0.922、0.898••••••。按此数据尚可发射。

  鉴于火箭垂直起飞垂直降落有技术难度大和成功率不太高的缺点,应当采用垂直起飞水平降落乃至更好的水平起飞水平降落方式进行火箭回收。

  美国还有一家经济实力更强的民营航天企业,是贝佐斯(Jeff Bozos)的亚马逊公司下属蓝色起源(Blue Origin)公司。他同马斯克一样是以百万人可以在太空工作和生活为目标,现正在低调开发商业载人飞船和私人太空旅游飞机。该公司于 2018 年 4 月 30 日成功发射造型短粗和运载试验商业载人飞船的新谢泼德火箭。火箭也实现垂直降落回收。飞船则用降落伞回收。

  5.3 水平起落降低发射成本

  我们要紧紧围绕提高可靠性、多次重复使用和降低成本的核心问题下功夫,走自己的发展道路。作者提出的新火箭推力室和空天发动机可供选择。

  由于多机并联和多次重复使用显著降低发动机可靠性,单机并联数不宜多取。飞机的发动机数目为 2、4 或 6,我国火箭发动机的并联数为 4、6 或 8,还是这样科学。火箭发动机并联数一般不宜超过 12。

  1.3 发动机创新研究

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  运载火箭比飞机飞得快和高多了,飞船从轨道返回地面遭遇很大的气动摩擦力,火箭发动机比航空发动机的燃烧温度至少高一千摄氏度,这些特点确实使得提高航天可靠性有大的难度。

  中国航天一直坚持质量第一和高可靠性的方针。第一代运载火箭长征一至四号及其所用的五种发动机,具有很高的可靠性。迄今发射多于 270 次,成功率高于97%,达到世界先进水平。特别是用金奖发动机推进的神箭,已把 14 人次的英雄航天员送上天并平安返回,举世瞩目。

  马斯克还提出要把火箭发射成本降低到 1% 的水平。这是必要的,因为只有这样才能使月球和火星的开发在经济上承担得起。才能使太空旅游普及到富裕民众。

  2018 年 5 月 11 日首飞成功的 5 型猎鹰 9 号火箭,重复使用次数要达到 10 以上并准备接受载人航天任务。5 型梅林-1D发动机的可靠性定高于 0.999。尽管如此,猎鹰重型火箭执行载人绕月飞行任务仍然暂时取消。显然与可靠性不足够高和飞行试验次数少有关。

  将来要使广大民众参与太空旅游,并使人们陆续登陆月球和火星,必须要把火箭及其发动机的可靠性提高到与飞机和航空发动机基本相当的水平。

  1. 新的发展动态

  XS-1 对准跑道水平降落

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  中国空天飞机设想图

  多机并联和多次重复使用发动机的可靠性可用以下公式进行估算:

  鉴于 27 个单机并联和多次重复使用会使发动机可靠性明显下降,应当研制可靠性高和具有多次重复使用能力的大推力火箭发动机,坚持我国运载火箭的 4、6 或 8 机科学并联。发动机并联数一般不要超过 12。发动机重复使用有望达 50—200 次。

  几种重型运载火箭方案

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  根据以上动态,现对火箭及其发动机的创新发展发表看法。

  源于英国云霄塔火箭的水平起落运载火箭及其吸气与火箭组合式发动机(复合预冷发动机),是最先进的空天飞行器及其发动机,计划重复使用 200 次。英、美、中、日等国都在积极研究这种单级入轨或双级入轨和全部回收的有翼火箭及其发动机。由于技术难度大,各国分别研究了几年或几十年,都没有达到实用试验阶段。中国的单级入轨火箭计划于 2030 年试飞。另外,由于用的是液氧液氢冷冻型推进剂,将来即使应用也得有专用机场。

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