军事天地

您当前的位置: 首页  >  探索发现  >  军事天地
难于上青天:做一发成功的火箭到底有多难
发布时间:2020-03-23     作者:   来源:光明网   分享到:


  从20世纪初火箭诞生开始,近百年过去,全球范围内能独立自主发射火箭的国家也仅有美、俄、中、法、英等寥寥数国,发射火箭到底难在哪里,本文暂不讨论备案、审批、许可等管理流程,仅从火箭技术方面略谈一二。

1584934305633826.jpeg


图1“探索一号·中国科技城之星”运载火箭成功发射瞬间(图片来自网络)

  作为一种运载工具,无论是哪一种火箭,除其有效负重之外,至少由三个部分组成,即火箭箭体、推进系统和控制系统。部分火箭还带有自毁、遥测等多种功能。

  一个合格的火箭外壳,必须具备强度高、耐高低温、密度低、易加工等基础性能且互相补充、缺一不可,强度如果不够,那在飞行过程中就无法承受巨大的加速度,进而发生变形甚至破坏;耐温性能不好,则无法承受高速飞行与空气摩擦产生的气动热,造成火箭内部温度迅速升高、恶化;密度如果较大,则火箭的有效载重量会下降;即便满足了前三个条件,如果加工难度很大,同样不是好的选择。

  高精尖的合金材料和复合材料保证了火箭的结构性能,而如何获得并加工这些材料就成了难倒许多国家的第一道关卡。各国的火箭结构材料,其配方及工艺是严格保密的,即便用现成的材料去逆向研发,也必须经过成百上千次的试验和分析,才有可能摸索出正确的元素种类和配比。然而这只是万里长征的第一步,温度、湿度、时间、调节速率等大量的工艺参数如何控制,某一项参数是否会引发其他参数的联动变化,变化的后果又是什么样的?所有的这些过程量及其数不胜数的排列组合必须一一经历,才能保证结构件原料产品的质量可控。假设跨过了前两个大坎,下一个挑战是如何把这些高强度、耐高温的原料加工成最终所需的形状,且加工后的部件如何保证强度一致,薄厚均匀,密封良好,需知即便是轻微的薄弱环节,在升空后火箭高频的振动中都有可能发生力学疲劳,从而导致结构受损甚至火箭解体,2010年印度GSLV-F06运载火箭发射升空2分钟后解体爆炸事故就是由于推进器的连接器断裂引发的。

  而将目光转移到火箭的发动机上,作为火箭的心脏,火箭发动机的结构材料对性能的要求比壳体材料有过之无不及。同时,发动机推进剂也是最大的难点之一,和壳体原材料的生产类似,无论是固体还是液体发动机,如何大量、稳定、安全的获得高性能燃料本身就需数十年的功力积累。不同代际的推进剂,其燃烧效率、能量密度可谓云泥之别,就连我国也是在近年才掌握了液氢/液氧推进剂技术。除此之外,作为一个复杂的动力系统,发动机还需解决高压稳定、高效冷却、稳定燃烧等难题。值得一提的是,在探索一号成功首飞的同一天,北京星际荣耀空间科技有限公司首次完成了“焦点一号”可重复使用液氧甲烷发动机的500秒全系统长程试车,发动机工作正常、参数平稳,意味着我国的民营航天在发动机方面已完成关键技术的积累和突破,距离产品化交付又近了一大步。

1584934319827894.jpeg


图2 “焦点一号”液氧甲烷发动机试车成功(图片来自网络)

  在解决材料和动力问题的同时,还要考虑如何让火箭飞的更稳。火箭在起飞前会预设飞行轨迹,在起飞后,则需要随时调整姿态以对路线进行修正,以保证火箭按照预轨迹完成运载任务。火箭依靠陀螺仪、加速度计和GPS等方式实时掌握自己的姿态和位置,并把数据同步交由控制系统去计算偏差和修正量,最后控制燃气舵、喷管做出反应动作,完成一个控制循环。在这个过程中,火箭能否及时感受到变化、能否及时做出反应、反应是否有效,与软硬件的水平息息相关,在高达数公里每秒的高速下,反应稍慢或动作稍不到位,火箭就可能离预设方案偏差十万八千里,严重时甚至导致姿态失控导致坠毁。

       此外,火箭作为高度精细化、集成化的造物,如何把各个部分完美的结合在一起,协调有序,互相冗余,本身就是一门科学。在国家对航天工业和人才的长期培养下,我国的商业航天公司一同踏上了中国航天发展的快车。严格来说,造火箭是一项不容许出现短板的工作,需要在高度科学的管理下,由大量的成熟科研人才、技能人才,将近万个成功的产品或技术,经过无数次仿真、计算、试验和失败的积累,方能打造成功,由此也更加凸显商业火箭技术突破的难能可贵。



【我们尊重原创,也注重分享。版权原作者所有,如有侵犯您的权益请及时联系,我们将第一时间删除。分享内容不代表本网观点,仅供参考。】