朱雀二号7月12日复飞为何引发关注?若成功,将创造人类历史

钟铭聊科学 2023-07-10 23:18:44

别的火箭发射你可以不关注,7月12日的朱雀二号发射你最好还是关注一下,因为这是又一历史性时刻。

朱雀二号听名字就知道不是长征家族的,也不是中国航天科技集团的,而是民营企业蓝箭航天公司,这些都不特殊,特殊的是它使用的是液氧甲烷发动机,如果它发射成功,它将会创造历史:全球首枚发射成功的液氧甲烷火箭。

朱雀二号遥二火箭

朱雀二号采用两级构型,箭体直径3.35米,这个直径是受限于公路、铁路运输,要翻越隧道的限制,火箭总长49.5米,起飞质量219吨,起飞推力268吨。

芯一级使用了4台天鹊80吨液氧甲烷发动机,二级发动机使用单台天鹊80吨液氧甲烷发动机,和天鹊10吨级游动液氧甲烷发动机。

液氧甲烷发动机,绝对是目前的热门,但是目前还没有一款液氧甲烷火箭发射成功。

目前来看,国内外一共有8款火箭使用液氧甲烷发动机,分别是:星舰、新格伦、火神半人马、人族R、中子号、人族一号、Stoke Space以及中国的朱雀二号,据说长征九号也要使用液氧甲烷火箭,因为资料太少,暂时不讲了。

其中星舰在4月20日,从美国得克萨斯州博卡奇卡的自建发射场点火,起飞后不久,就发现芯一级有多台发动机工作不正常,升空2分30秒后火箭姿态失稳并开始旋转,最终爆炸解体,发射失败。

人族一号在2023年3月22日,第二级分离时出现“异常”未能进入轨道,发射失败。

朱雀二号遥一火箭也在2022年12月14日,于中国酒泉卫星发射中心点火发射。

发射之后,火箭一级、二级主机飞行正常,二级游机出现异常,导致发射任务失利,没能成为全球首枚成功发射的液氧甲烷火箭。

虽然上次失败了,但是虽败犹荣,因为它已经进入轨道了,就差临门一脚,网友对它的评价仍旧很高,认为它仍然创造了历史:“全球首枚进入轨道的甲烷动力火箭”。

首飞失利的原因,后来也找到了,二级游机异常关机的原因是:

游机氧输送管与氧泵低压壳体连接部位刚度不匹配,低压壳体存在强度裕度不足,在主机关机水击作用下氧泵低压壳体破裂,引发游机异常关机故障。

找到原因之后,蓝箭航天采取了多项改进措施,提高了结构安全系统,还进行多次仿真分析计算和地面试车考验,验证有效,能满足飞行要求,所以朱雀二号决定在7月12日复飞。

液氧甲烷火箭为何成热门?

你发现了没,各国研发的新一代运载火箭,都改为使用液氧甲烷火箭了?

主要原因,还是它符合未来航天的需求。

过去航天常用的液体推进剂分为3种:

偏二甲肼/四氧化二氮,优点是设计简单,常温下容易保存,但是缺点很明显,费用高,而且有毒,发动机出现问题后,维护人员几乎是冒着生命危险去维护。

液氧煤油:成本低,比冲高,但缺点是容易积碳、结焦。

液氧液氢:比冲非常高,原料便宜,能满足大推力火箭的发射需求,可问题是液氢的密度非常低,同样一个大罐子装不了多少液氢,而罐子越大,自重就越大,

更重要的是,液氧的沸点是-182.96 °C,凝固点是-222.65 °C,液氢的沸点是-252.78℃,凝固点是-259.19℃;想要让两者都保持在液态,就要把两者温度控制好,比如:胖五使用的发动机就是液氧液氢发动机,其中液氢温度-253℃,液氧温度-183℃,两者温差太大,要使用特殊的储存罐。

以上这些燃料或多或少都有缺点,而它们的缺点刚好是液氧甲烷的优点。液氧甲烷无毒,来源广,价格便宜,而且火星上都有甲烷,这意味着使用液氧甲烷火箭可以在火星上补充能量,如此一来就不必携带返程的甲烷,减轻了火箭发射难度。

甲烷的沸点是-161.5℃,凝固点是-182.5 ℃,它与液氧的温差可以控制在1℃,储存难度相比于液氧液氢而言变低了。

火箭发动机的设计一共分为4种:开式循环,闭式循环(富氧),闭式循环(富燃),全流量(分级燃烧循环)。

开式循环,就是将预燃室的废气直接排到外界,而为了让预燃室的温度没那么高,不损伤叶片,一般会采用富燃的方式,也就是燃料多一点,氧气少一点,这样排到外界的废气里面有很多没完全燃烧的燃料,直接排到外界很浪费,但是设计最简单,我国朱雀二号TQ-12使用的就是开式循环,SpaceX的梅林发动机用的也是开式循环。

闭式循环(富燃):预燃室里面不是有大量还未完全燃烧的燃料吗,直接排到外界很浪费,那就把它放到主燃烧室里继续燃烧就行了,这就是闭式循环富燃。富燃好是好,但是如果使用液氧煤油的话,没有富燃会积碳、结焦,很容易堵塞发动机,所以使用闭式循环富燃的方式,只能用液氧液氢,液氧甲烷等推进剂。

闭式循环(富氧):预燃室的燃料少一点,氧化剂多一点,可以解决液氧煤油积碳、结焦的问题,但是会产生高温,需要特殊的合金才能承受如此高的温度。

全流量分级燃烧,两个预燃室一个富氧,一个富燃,好处是可以更充分利用燃料,但缺点是对技术要求非常高,目前也只有美国的猛禽使用了这种燃烧方式。

全球虽然有8款火箭使用了液氧甲烷当推进剂,而且也有多个火箭首飞,但目前还没有一款液氧甲烷火箭首飞成功,曾经朱雀二号是最接近这个目标的,很可惜就差临门一脚。

现在,朱雀二号准备复飞,这一次改进后的朱雀二号能完成它的使命吗?能创造历史,成为人类历史上首枚发射成功的液氧甲烷火箭吗?

一切都要看7月12日朱雀二号的表现了。

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