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石豪:长征五号发射成功有多重要?用“一发定全局”毫不为过
最后更新: 2019-12-28 11:51:38美国土星五号运载火箭第一级 | 图片来源:NASA
土星五号是人类有史以来投入使用的最强运载火箭,其170千米近地轨道运载能力高达140吨。没有土星五号,就没有阿波罗登月,也没有阿姆斯特朗的“人类一大步”。
土星五号的一级配备了5台巨型的F-1液氧煤油发动机,总推力高达35000千牛,燃料(煤油)和氧化剂(液氧)必须通过一个喷注器注入发动机的燃烧室。
说是喷注器,其实应该叫“喷注盘”,看看它长什么样就知道了:
F-1发动机的喷注盘 | 图片来源 [4]
是不是很像蒸锅里的篦子啊:
蒸锅的锅篦子 | 图片来源:百度图片
这个喷注盘上面密密麻麻开的小孔,就是煤油和液氧注入的地方。由于发动机太过巨大,所以容易出现煤油和液氧混合不均匀,进而导致燃烧不均匀的危险情况。因此喷注盘上喷煤油和液氧的小孔应该怎么排布,就成为F-1发动机研制过程中必须解决的问题。
通俗点说,就是锅篦子上那些眼应该怎么扎。
为了让F-1发动机稳定燃烧,为了扎好这个锅篦子,您猜研制团队总共试验了多少次?
2000次!
并且,当年的流体力学模拟软件不成熟,为了搞清楚燃烧室中的流体状态到底是怎么样的,美国人甚至在燃烧室里面放炸药,通过制造可控的小爆炸,观察火焰的变化情况,反推内部的流体状态 [5]。
至于F-1发动机有多“费油”,它一秒钟要消耗将近2.6吨的燃料加氧化剂,然后它要工作至少150秒。
这烧的不是煤油,是美元。
并且,F-1发动机的研制从20世纪50年代中期启动,直到20世纪70年代阿波罗飞船上天以后才告结束。
其中花了多少钱呢?解决了多少难题呢?
科技水平极高的美国,在一型发动机的研制中,尚且面临如此巨大的困难。
建国前科技基础约等于零的中国,长期处于低成本运行的中国航天,在开发新一代火箭时面临的困难,我们是不难体会的。
然而,直面困难的中国航天,依然在2019年12月27日的晚上,交出了自己的答卷。
一发定未来
长征五号遥三火箭的答卷有多漂亮呢?
根据西安卫星测控中心给出的卫星初轨根数,长征五号将实践二十号卫星送入了近地点192.8千米、远地点68016.8千米、轨道半长轴40478.1千米的超同步转移轨道。根据任务设计,卫星初轨的理论值为近地点200千米、远地点68000千米、轨道半长轴40482.9千米。
半长轴允许偏差为±350千米,实际偏差仅4.8千米。
正中靶心。
浴火重生的YF-77发动机经受住了实战考验,表现完美。
908天后,笑容终于出现在了火箭和卫星研制人员的脸上。
火箭与卫星型号两总合影 | 图片来源:网友拍摄
长五遥三的成功,意味着许多。
在马上到来的2020年,中国的首次大型火星探测终于可以如期进行,探测器组合体将搭乘长征五号遥四火箭奔向红色星球。
即将发射的中国火星探测器 | 图片来源:中国空间技术研究院
在马上到来的2020年,中国的新一代载人飞船终于可以进行首次试飞,担负发射任务的长征五号乙运载火箭还将承担中国大型空间站的发射任务。
新一代载人飞船缓冲气囊试验 | 图片来源:中国空间技术研究院
在这次关乎中国航天命运的发射圆满成功后,一切都可以按计划进行,没有比这更令人幸福的了。
未来的道路注定不会平坦,但是,不管还要再承受多少困难,今天我们可以大声说出这句话——
我们的征途是星辰大海!
发射成功后的飞控大厅 | 图片来源:网友拍摄
参考文献
[1] 李东, 王珏, 何巍, 等. 长征五号运载火箭总体方案及关键技术[J]. 导弹与航天运载技术, 2017 (3): 1-5.
[2] 袁岚峰 . 从长征五号复飞看世界航天格局: 袁岚峰[EB/OL]. 风云之声微信公众平台, [2019-12-27]. https://mp.weixin.qq.com/s/h-ibHaljjLLAlcIIKAmAvg.
[3] 中国航天报 . 长五,这两年你经历了什么?[EB/OL]. 中国航天报微信公众平台, [2019-12-27]. https://mp.weixin.qq.com/s/q2gBuFB69lShdJ7J-jJfjQ.
[4] RECORD H A E. Marshall Space Flight Center, F-1 Engine Static Test Stand, On Route 565 between Huntsville and Decatur, Huntsville, Madison County, AL[EB/OL]. Marshall Space Flight Center, F-1 Engine Static Test Stand, On Route 565 between Huntsville and Decatur, Huntsville, Madison County, AL, [2019-12-27]. http://www.loc.gov/pictures/collection/hh/item/al1331/.
[5] Oefelein J C, Yang V. Comprehensive review of liquid-propellant combustion instabilities in F-1 engines[J]. Journal of Propulsion and Power, 1993, 9(5): 657-677.
本文系观察者网独家稿件,未经授权,不得转载。
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- 责任编辑: 朱敏洁 
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