【航天】William: 長征五B試射成功,太空站組裝工作正式展開?

2020-05-06 18:27:47 最後更新日期:2021-02-08 17:36:41
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

(照片來源:人民日報)

經過約大半個月的延宕,長征五號第四發火箭兼長征五號B型(下稱長五B)首發火箭,終於昨日(5月5日)黃昏6時,於海南島文昌發射場順利升空,其發射可謂意義重大,因為這不單是長五B型首次發射,更是新冠疫情以來最重要的發射,也是連續兩次衛星任務發射失敗後再次發射;同時也代表下一個航天大計可以順利展開。

有趣的是,今次雖然同樣發射長征五號火箭,但性質和技術特點又和前三次不一樣:長征五B火箭比甲型矮,事實上更只有一級半結構(一級主芯級液氫液氧火箭,加上算作半級的液氫煤油綑綁式助推火箭)。這樣搞的原因是長五B型只負責將超過20噸的大型貨物送上300-400公里高的底軌道,以長五B型主芯級燃燒500秒的時間,足夠將載荷直接發射到200多公里的近地軌道,餘下的航程可由載荷自帶的引擎完成調整工作。

長五B火箭發射過程。

 

關於長征五型的技術,之前的文章已有介紹,可依照文末的連結參考。不過值得一提的是,之前提過整個長征五型的火箭動力體系較像俄國這點倒需要修正一下,因為助推火箭長時間燃燒(超過150秒)及助推總推力比主芯級更大幾倍的蘇聯火箭,其實只有一枝,即並未發展完成的能量號,除此以外,就幾乎找不到類似裝配的火箭。單就架構而言,長五B更像一支中重型且傳統構形版本的能量號

長五B的載荷艙總長度達22公尺左右,闊5公尺,是中國運載火箭中最大的對半分離式載荷艙。由於推力足夠,在不影響氣動為前題下,其實是可安裝比原有火箭直徑更粗更高的載荷艙。(網絡圖片)

 

相對於長五基本型而言,長五B型架構只有一級半(一個芯級,加上當為半級的助推火箭,雖然助推火箭才是大氣層內最主要的推力來源),其實更為簡單,且也沒有可能仍需改進的第二級(頭兩次發射,第二級都存有問題,這更是直接導致第二次發射失敗,到第三次發射時才基本成功),所以安全系數理應更高;不過長5B有現時中國運載火箭中最大的載荷艙,而且是比過去大至少兩倍,氣動及振動上也可能出現測試及模擬時未遇過的問題,所以仍是有相當大的風險。

暫時知道本次任務至少有兩個重要載荷,而這兩個可說是往後太空站運輸與各種載荷返回的重要技術測試;首先最主要的是部分可重複使用的新一代載人航天及往返飛船。

神舟系列太空船(箭頭所指)太狹窄,比之同類的返回式太空艙也較小,更不要說和有人/無人太空穿梭機比了。(網絡圖片)

 

新一代可重複使用載人飛船整備情況、現時已發展的兩種模組,以及與各國載人太空艙的橫向比較。(網絡圖片)

 

舊的神舟系列太空船其實非常狹窄,只能坐三人,且只有8.3噸,結構明顯參考前蘇聯的聯盟號宇宙飛船,只是有相對較大的服務艙;新一代載人航天飛船長8.8米、闊4米,最多可載6人(或3人 + 500公斤貨物),採用的是模組化設計,最大型且任務持續最長的構形,總重量達21.6噸,最小的也大約14噸左右,而且返回艙是可重複使用設計,只要安裝一個新的隔熱層蒙皮,返回艙就能再次使用。

可更換式隔熱蒙皮。熱盾則可使用幾次,到壽命差不多再更換。另外本艙還有降傘與充氣氣球的降落系統。(網絡圖片)

日後該艙可用於太空站接駁、太空船貨運、日常維修、太空站(或大型衛星)軌道推升等,甚至可進一步發展成登月任務艙或於太空組裝太空船的工作站。需留意的是,本艙日後若是執行日常太空站任務,會由長征7號發射,但因為載荷涉及最重型號,而且長七現時還未完全成熟,所以先由長五B進行試驗工作,估計太空站完成後首一兩年,仍需由長2F發射神舟飛船進行對接及補給,直至神七能大量服役為止......單由技術比較,新載人飛船更接近美國的獵戶座與俄國仍在發展的鷹號太空艙,和美國另外兩家商業載人發射任務太空艙相比可重得多,不過須留意的是商業載人只涉及往返太空站,若和新載人飛船的太空站服務模塊比較,其實差不多。

 

央視播出的充氣式重返大氣層熱盾示範動畫。由於航天部門暫未提供該載荷細節,央視也只能以美國IRVE的設計作藍本作為繪製CG動畫的素材。不過最新消息顯示,今次第一次試驗並未成功,充氣盾在大氣層中燒毀。

   

其次就是充氣式重返大氣層熱盾技術。這個熱盾技術科幻宅都會很熟悉的,就是《Z高達》中出現過MS及戰艦登陸地球的充氣熱盾。稍留有留意和太空有關的科幻片(例如《火星任務》),都會知道用於重返大氣層的熱盾重量很大,有時甚至重達一噸以上。為此,俄羅斯與歐洲太空總署合作下,先於1999年對這項技術作初步測試,8年後美國NASA參照了《機動戰士Z高達(是設計者親口承認的)中的科幻設計靈感作進一步改良,並進行了三次測試,分別是2007及2009年只利用探空火箭進行了難度較低的超音速再入降落的IRVE(2007年那次失敗),以及2012年氣球結構作過改良的9倍高超音速降落器HIRD。這技術可能用於遠期的火星探測及登陸用。由今次中國所進行的測試是以第一宇宙速度直接減速墜落,技術難度和1999年俄國的測試及2012年的HIRD相當。

左為俄國與歐洲航天局合作的1999年IRDT項目(兩個形態的充氣熱盾,其中一個試驗失敗);中為2009年的IRVE-2,右為2012年的HIRD。作為火星降落的技術,NASA打算於2022年再試驗一個直徑達6米的巨型HIRD項目。(網絡圖片)

 

長五B型試射完成的重要意義,當然是該系列兩個主型號已獲初步成功,可被賦與更多空間發射任務,例如7月及12月火星探測器天問一號及月球著陸及返回器嫦娥五號即將由長五型發射;還有兩支太空望遠鏡及兩次嫦娥任務;不過更重要的是,由於長五B預定進行太空站組件發射任務,試射成功可代表太空站可以在明年發射升空組裝了!相對於登月之類,天宮一號太空站才是近期中國最重要的航天項目。

火星探測器天問一號及月球探測器嫦娥五號。天問一號同時會搭載第九架火星探測車(前八架中有一架墜毀,二架登陸後無法開動),而嫦娥五號在採集月壤樣本後,便會發射一支樣本返回式火箭。由於返回式火箭重量更高,所以才需要長五發射,否則一般長三B型都可以發射了。(網絡圖片)

   

天宮太空站一期全圖。如無意外,2021年可開始軌道組裝。(網絡圖片)

 

預告:五月底另一重要研究成果升空?

事實上,與長五B發射任務一同延宕的,還有一支很重要也很特殊的火箭:二月初,有人發現酒泉衛星發射中心正在組裝一發長二F構形的火箭。長征二F構型原是作為發射神舟飛船及天宮計劃的專用火箭,安全性更高,近地載荷8.6噸剛好夠推動神舟系列飛船連逃逸塔裝備,自2016年神舟11號計劃發射完成後就沒再發射,至年初忽然傳出長征二F型再發射的消息。若果是一般大型衛星的話,事實上可交由產量及發射次數多得多的長3B型進行發射,而由於太空站最快都要明年才能發射,太空人至少要2022年才會進駐,所以有人指這是另一項與載人航天無關的特殊計劃。

現在仍擱在酒泉衛星發射中心並給發射台準備設施封住的長征2F型火箭。右圖為航空航天港網站根據已知消息繪製的大型載荷艙整流罩圖。(網絡圖片)

 

由部分消息得知,該火箭可能有一個相當巨大、直徑達5米的載荷整流罩。由於該型火箭最大載重只有8噸左右,所發射的載荷應該是比較大型但較輕的類型,若如東五衛星平台的大小,那其實也不需如此巨大的整流罩。

左為神龍號無人穿梭機試驗載具,早於2005年現身,不過一直只進行高空投放實驗;右為騰雲計劃中的無人太空穿梭機及其發射母機。基於需求高超音速衝壓引擎飛行技術,本機最快都要2030年後才能開始試飛,但子機相對較容易,而且亦可兼由火箭發射,率先測試機會更高。(網絡圖片)

 

這火箭的特徵很像曾用於發射X37B無人穿梭機的阿斯拉達5型501構形火箭,故也有人推測這是用於中國一艘多年來只見過地面及空中投射武型的神龍飛行器;另一個說法是驗證騰雲計劃的子機項目。事實上,就現時太空民用及軍事任務而言,小型太空穿梭機(無論有人還是無人)都是一種重要的工作母機,它既可以提供發射衛星載荷或維修衛星的任務,也可為太空站作緊急維修與補給;軍事上一架類似X-37的太空飛機也更容易進行變軌,以進行快速偵察、抵近跟緃敵方衛星,以及應對近年開始流行起來、而且有軍事化趨勢的衛星矩陣布置。以上需求令類似並方便部署的小型太空梭具相當大的任務價值。

第四次飛行任務(OTV 4)完成後返回的X-37B穿梭機。X-37B暫只造了兩架,並於十年內進行了五次飛行。(網絡圖片)

發佈於 博評
By 2020-05-06

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