【航天】模組化與回收再用 長征八號首射成功

2020-12-22 19:48:59 最後更新日期:2021-01-10 02:07:07
William Lam

現實中只是個小職員的軍武 / 科普愛好者

本日正午12時37分,長征八號火箭載著五個小衛星正式升空。(照片:CASC)

今年雖是疫症年,但在航天發展上也有很多新的嘗試,尤其載具更新上亦多有進展。舉例來說,可能是未來二十年內最重要的實用化重型運載火箭「星艦」(Starship),已開始驗證火箭上面級的飛行性能;俄國人也已對新世代多模組運載火箭安加拉A5型進行六年來第二次試射(也是全面改進型),連同4月的長征5B、神龍空天飛行器、3月的長征7A型(首射失敗),以及伊朗的信使號、美國的電子號火箭(回收型首次成功)、Rocket 3(首3射皆失)與7月的快舟11(首射失敗)等,今年的新東西算特別多,而今年最新的首射成功火箭(也是2020年全球運載火箭最後第二射),就是剛於今天正午12時45分於文昌發射中心發射的長征八號火箭。

日前試射但在降落時失敗砸毀的SN-8,事實上是欠缺任務艙 / 載人艙段及只用了一半引擎(三個猛禽)的驗證機,不過已經是首個比較完整的推進段測試,之前都是燃料箱與單個引擎段的測試。由於系統極其複雜(至少有42個引擎)且已屬超重型運輸火箭範疇,SpaceX首次以多組件分別測試的方式進行設計,未來幾年都會持續分段測試,SpaceX早前已指期望於2023年進行全系統測試。(圖片擷取自Youtube)

 

11月時一枚新型運載火箭在文昌火箭發射場的組裝台上曝光,由於一星期前長征五型運載嫦娥五號發射升空,故該火箭的運輸也被部分航天迷拍到,但礙於保密原因,近照在昨日才開始於網上流傳。參考公開的部分航天發射計劃及過去的展覽資料,這種火箭很可能是號稱長征八號的新式運載火箭。而根據中國運載火箭技術研究院所載,長征八號運載火箭是新一代中型兩級液體捆綁式運載火箭。一子級以液氧/煤油作為推進劑,採用兩台1,200 千牛級推力的YF-100發動機;二子級以液氫/液氧為推進劑,採用兩台78.45千牛級推力的YF-75發動機,具備二次啟動能力,而且空間比衝性能更佳;捆綁2個2.25米直徑液體助推器,以液氧/煤油作為推進劑,各採用一台YF-100煤油 / 液氧火箭發動機。

長征八號事實上是以長征722S及732構形發展而來,不過就將較便宜且載荷艙容積更大長征3號乙型第三級接駁到第一級上面,令火箭高度與重量均大減。(圖片來源:新浪網)

 

嚴格來說,這有可能是仍在改良中的長征七號系列火箭的簡化版,甚至可以說是長征7號計劃中的722型進一步發展而成,使用的是長征七號的芯級與其中兩個助推器作為第一級及助推段,另配上一個來自長征3號丙型火箭第三級當成本火箭第二級使用,所以火箭整體忽然矮了一大截。其基本性能是低軌道運力8噸左右,大陽同步軌道約4.5至5噸運力,運載能力和長征2E及F型差不多但更輕巧;然而設計特殊的是,這火箭的發展型長征8R型,將是中國第一支可回收重用的火箭,且設計上和獵鷹9型等亦有相當大的差異

由長征八型組裝時圖片及今年4月長征七型圖片可看到,同樣的助推火箭不但更貼近主芯級,而且鎖定點更進一步強化,以進一步測試整體脫離的可行性。4月時長征7A試射失敗,有一說法是指當時的助推火箭不夠貼近主火箭,而且固定裝置強度不足,造成超負荷的共振,甚至脫離時可能撞到第二節引擎,令其無法正常運作所致。(照片:CASC)

 

首先,整支火箭其實體積上較獵鷹9型矮。質量也較輕,運力也自然少一級,但仍滿足中重型衛星的低軌與太陽同步軌道發射任務;其次,其可回收的部分雖然仍是第一級,也和獵鷹9(及過去的蘇聯導彈火箭)一樣用格柵翼進行姿勢控制,但卻是芯級與助推火箭連成一體一同降落,而且技術上可能使用了火箭反推及降傘的雙重減速模式,以協助降落時的平穩之餘也減低難度,方便回收再用。這種捆式降落回收設計在過去可是從未有人發展過。

火箭傘降控制著陸點,中國航天當局基本上已掌握技術。這對於內陸三個發射場(西昌、酒泉及太原)繼續營運並確保居民平安有很大好處;另方面,這種控制技術其實亦是其中一種火箭回收技術。

 

事實上,年初長征七號B型的發射,有指就開始試驗這種技術(但當時只是將原有的助推火箭和第一級主芯鎖死並一同釋放),然而正是因為這種方法在投棄時發生預想以外的振動,主芯觸碰到第二級引擎的噴射口,令其中一個引擎故障減少動力,終致第二級無足夠動力入軌而墜毀。不過航天一院似乎仍對這項技術不斷嘗試。無他者,一體脫落而不各自墜落,不講更容易回收的問題,一體化就可以只使用一組控制系統,重量更輕之餘能更精確控制墜落位置,對火箭飛行路徑下的居民也多一重保障。事實上在更早一段的測試中,一節長征3號乙列火箭已成功砸落預定的地點。

火箭回收可分傘降與引擎反推降落兩種,不過無論是美國還是前蘇聯(計劃中的天頂星助推火箭的傘降回收型),都只是單節降落,多段捆式一體降落暫沒有人試過。現時尚在進行細部設計的長征八號回收型 / R型就現時發展進度來看,應是反推降落型,這點和獵鷹9、新格倫、ULA的火神,以及發展中的阿里安Words型相同(概念並不屬專利權範疇,SpaceX也沒有申請過類似概念專利)。不過由於是捆式降落,且長征八R只有4個中型煤油液氧引擎(而SpaceX在獵鷹9號上是用9個較小型且可獨立點火操作的梅林 1D引擎,冗餘度更高),實不排除也會用降傘反推雙重減速輔降方式降落。(照片來源:新浪網)

 

另外,本火箭的運力,剛好可以代替長征二型大部分及三型部份系列的火箭,而長征7號及8號組件通用性極高,幾乎可視為一個運載火箭系列。若不計算快舟系列(快舟似乎就直接用ICBM的組件製作),那中國運載火箭系統就直接分成輕型(長征六號,SSO軌道發射型)、中型(長征7/8系列,8-15噸LEO及部分可回收)及重型(長征五號 / 921構形火箭,由14噸GTO軌道 / 25噸LEO軌道至60-70噸LEO軌道),並在引擎運用上高度通用化,從而發展出類似美國阿斯拉達及三角洲系列運載火箭的多樣性。

現時中國航天科技集團的六種芯級火箭模組,足夠堆砌成長征五至長征八型系列的各類型火箭。新一代火箭的模組化程度,甚至比Atlas V系列火箭還高(Atlas V至少組不出輕型火箭)。(照片來源:新浪網)

 

附註:安加拉A5型全面改良後第一射

其實上星期俄國還試射了新一代再經改良的重型運載火箭。安加拉A5型可說是俄國重載火箭新希望:模組化火箭最先源自蘇聯,而剛剛於12月14日晚上試射的安加拉系列A5型就是當中的最新典範。其模組特別之處是第一級及助推段都是使用同一種火箭引擎RD-191,甚至連燃料箱都是同一規格,將生產程序大幅簡化之餘,還可借不同組合,將同樣的零件「堆砌」成不同級別的火箭,現時該系列火箭即有安加拉1及安加拉A5型,而安加拉A5型則是現時常見的二十五噸運力級中重型火箭,本火箭系列若發展完成,將有望統一俄國的質子與聯合號火箭,同時承擔載人與載貨航天任務。(照片來自俄國國防部新聞處及Brick in Space)

By 2020-12-22

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