中国成功研制了500吨级固体火箭发动机,航天集团给它的定义是“世界领先”。但是有不少网友讲,美国上世纪70年代开始使用的航天飞机发射系统,就用了两个SRB固体火箭推进器,这些推进器推力可以达到1500吨左右,这样看来中国这个发动机只有它的零头,是不是中国火箭研制单位在“吹牛”呢?
想要了解固体火箭发动机的评价标准,咱们有必要先了解一点固体火箭发动机的原理。不少小伙伴小时候玩过窜天猴,这种窜天猴不仅可以在空气中发射,水中也可以正常燃烧。能够提供推力又不需要空气中的氧气加入反应,窜天猴实际上就是固体火箭发动机的雏形。
相对于结构非常复杂的液体火箭发动机,固体火箭发动机的结构就简单多了。坚固的箭体内部有一根药柱,内部包含了火箭发射所需的氧化剂和还原剂,药柱中间有一条点火通道(图中的灰色地带),这也是燃烧开始的地方。
火箭结构(火箭结构示意图)
已知中国固体发动机的直径是3.5米,美国的SRB固体火箭发动机直径是3.05-3.71米左右,直径相当的情况下,两者的长度差了多少呢?
图来源见水印
药柱从中心开始沿着圆柱法线方向向外燃烧。药柱的长度决定了同时燃烧的燃料的数量,从而决定了火箭的推力;而药柱的直径决定了燃料的燃烧时间,从而决定了火箭的工作时间。固体火箭越长推力越大,美国的那个是四个叠加起来,长度比咱们的长太多,没啥可比性。
全复材箭身
从分类上来讲,美国的SRB是典型的分段式固体火箭发动机,中国这次展示的是整体式发动机,只有一段燃烧室。航天飞机上用的SRB总长38.4m、直径3.71m、推进剂质量503t、推力约1176t,燃烧室分4段,壳体采用D6AC高强度钢材料。美国在此基础上发展的应用在太空发射系统上的SRB助推火箭通过增加长度的方法,将推力增加到了1600吨以上。
虽然分段式固体火箭发动的推力优势明显,但是从世界范围内看来,整体式固体火箭发动机替代分段式却是一个大趋势。分段对接的结构使得分段式固体火箭发动机面临质量比低、工艺设备要求高等问题。整体式固体火箭发动机无需解决分段对接、绝热对接等技术难题,在可靠性、质量比、制造成本等方面优势明显。
日本H-2A运载火箭在H-2运载火箭基础上,采用装药量66t、质量比为0.86的整体式固体火箭发动机取代了H-2运载火箭原本的装药量59t、质量比为0.84的分段式固体火箭发动机,有效地提升了火箭的性能。
日本的H2火箭
在2021年之前,整体式固推的扛把子是欧洲诸国。在P80大型固体火箭发动机技术的基础上,欧洲进行固体动力技术的持续创新,2018年7月,完成P120C发动机地面试车。该发动机采用高性能整体式复合材料壳体,直径3.4m、高13.4m、装药量142t、推力470t,是当时世界上最大的整体式固体火箭发动机。
值得一提的是印度也有一款推力在500吨级的S-200整体式固体火箭发动机。至于性能如何直接看图吧
随着高性能复合材料的发展,将具有高比强度、比模量的复合材料应用于固体火箭发动机,可使运载火箭的有效载荷能力增加25%以上。升级版SLS助推器使用复合材料代替钢制外壳,相较于目前的助推器成本降低40%、可靠性增加24%,可使SLS的有效载荷发射能力从130t提升至150t。
感受一下助推器的长度
看到这里,咱们就能推出来一发好的固体火箭发动机的三个标准:1.整体式的;2.复合材料箭身;3.大推力。
再回过头来看咱们的固体火箭发动机:500吨+整体式火箭发动机+高强度复合材料箭身。美国的SLS的固推是1500吨+分段式+复合材料;印度的是500吨+整体式+钢材料;欧洲的是470吨+整体式+复合材料。所以讲中国这枚火箭发动机的“国际领先”绝对不是说说而已。
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