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纳兰容若

自在飞花轻似梦,无边丝雨细如愁

 
 
 

日志

 
 

长征11号火箭:军民两用经济版“战略导弹”  

2015-09-28 19:14:57|  分类: 【中国航天】 |  标签: |举报 |字号 订阅

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纳兰容若 - 网易博客

长征11号火箭平时包裹在发射筒中,起竖、发射和洲际战略导弹别无二致


一:什么是固体火箭?它有什么优缺点?

2015年9月25日上午,我国长征火箭家族中的第一款固体火箭型号首飞成功,并将携带的四颗卫星顺利送入轨道。这款被命名为长征11号的火箭,在很多方面具备了很多突破性的性能:比如在24小时之内就可以完成发射准备工作。

而这与它的发动机形式密切相关。


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资料图:长征11号的模型


火箭发动机的特点是自带燃料和氧化剂,不像普通发动机——比如汽车和飞机那样,燃料是自己带的燃油,氧化剂则要从空气中吸取氧气。根据燃料形式的不同,火箭发动机又分为液体发动机和固体发动机。

我国最著名的长征2号系列火箭,使用的就是液体发动机。它的优点是液体的流速和流量都很好控制,调节推力大小等方面很方便;而且从性能上来说,同等技术水平下,液体燃料要优于固定燃料。但液体燃料的缺陷也非常明显:容易渗漏、挥发,这个是无解的问题;不少液体燃料还需要保温(液氧、液氢)或者特殊的防腐蚀处理。


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    资料图:液体火箭发动机的基本原理,两个箱子装燃料(Fuel)和氧化剂(Oxidizer),然后用泵(Pump)把它们抽出来喷射到发动机的燃烧室(Combustion Chamber)里点燃,高温高压燃气从喷管(Nozzle)喷出后形成巨大推力。


因此对于绝大多数液体发动机的火箭来说,燃料都要在发射前的准备阶段时才能加注:需要的时间、涉及到的辅助设备就特别多,发射灵活性很差。固体燃料的火箭发动机,就是针对这些缺陷而提出的。它的燃料以火药柱等结构形式,被固化在发动机内部,可以长期储存十几年甚至是几十年。


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固体火箭的发动机结构比液体的简单多了,中间就一个大火药柱子,就那么从底下往上面烧呗


从缺点上说,固体火箭燃料在本质上就是将燃烧速度设法减缓了的高能炸药,因此研制成本非常高昂。比如它不仅要研究成分配方,还要研究什么样形状的火药颗粒有更合适的燃烧特性、怎样做出这样的外形、怎样把它们粘结成什么形状的火药柱,这些都是液体燃料不需要考虑的。尤其是随着吨位的加大,发动机内固体燃料柱的直径与长度不断增加,其工艺难度越来越高,合格率越来越低,成本的增加速度远远高于液体燃料发动机。


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    美国民间火箭爱好者自己制作的简易固体燃料火箭,燃料浇铸时特殊的银灰色泽来自加强燃烧能量的铝粉。

    注意燃料中间的燃气通道。


二:长征11火箭是战略导弹的军民两用经济版

液体和固体火箭不同的优缺点,使它们在民用和军用市场上各有所长。实际上运载火箭和导弹本就是一脉同源,现代意义上最早的火箭就是德国在二战时研制的V2弹道导弹,采用液氧加酒精的液体燃料组合。后来航天工业大发展时代,民用和军用细分越来越明显,追求经济和环保的民用火箭就全面采用液体燃料;而追求反应速度和维护性的军用导弹,则采用固体燃料设计。

长征11号实际上并没有违反这一规律。这款火箭有两个性能追求点,除了24小时以内完成发射准备(根据官方报道,2014年的演练中仅十几个小时就能完成)外,还必须具备全天候、无依托发射的能力。所谓无依托发射,就是不需要专门的火箭发射场,不需要勤务塔、不需要脐带塔、不需要导流槽,连发射台都不要,只要有一片水泥场坪就可以了。


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长征11号平时包在发射筒里,这是很典型的军用导弹设计


为了实现这种能力,长征11号采用了能够自主移动、完成测试准备的发射平台——说的更通俗一点,就是机动战略导弹的发射平台。实际上整个长征11号火箭,都是在远程战略导弹的基础上开发的军民两用经济版。它在设计上的几点不同,首先是对成本的控制要求更高:比如长征11号在火箭壳体结构上就做的很省钱,没有采用复合材料结构,而是采用金属铸造工艺。一些地方——比如第四级的控制舱,它的结构甚至是直接沿用原来长征系列火箭的老式设计。


但另一方面,长征11号也不完全是降级的缩水版。

军用战略导弹设计一旦定型,以后变更设计就非常难,要很多年才有一次改型的机会,而且改进幅度不一定很大。改进频率和深度的不足,使很多新技术新设计得不到验证和实用化的机会,不利于科研能力和产品技术水平进步。


而长征11号火箭,就同时承担着新型技术验证平台的角色:

比如它的第一级火箭,是我国推力、燃烧室装药量、柔性喷管尺寸等方面都最大的型号,刷新了我国固体火箭发动机研制历史的多项纪录。这方面的性能和成本,就比现役的东风31甚至是传说中的东风41都要高。


三:长征11是未来远洋和空天交战的重要一环


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卫星是未来作战中的重点打击目标


长征11号火箭全长20.8米,重58吨,起飞推力120吨。它能够把700公斤的物资送到低轨道,把350公斤的物资送到太阳同步轨道。单纯从性能上看,长征11号并不出彩;从经济性上看,长征11号采用固体燃料发动机,肯定也不划算。

那么它的优势在哪里?


长征11号的核心用途,在于面对巨大自然灾害、严重战争威胁等情况时,我国可快速补发多枚卫星,对热点地区进行非常详细的实时监控——包括在传统的火箭发射场,比如酒泉基地被破坏的极端情况下。这种能力重要性源于两个两个方面:

首先,在平时就维持一个高密度的卫星网络,对地面进行过度的太空监测成本代价过于昂贵,经济压力太大。其次,现在反卫星技术已经越来越成熟,未来战争爆发时,敌我双方互相大规模猎杀对方卫星的概率相当高,必须早作防备。

尤其是对于远离地面监控体系、爆发在远洋和空天上的交战时,卫星对于信息获取的意义更是无论如何强调都不过分。而长征11号火箭,就是我国未来战略系统中非常重要的一个环节。


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中国可以像射导弹一样射卫星

 

近日网络上曝光的画面显示:9月25日刚完成首飞的长征-11运载火箭,使用了类似“东风-31”的运输、起竖、发射车,同时还使用了筒装储运发射的形式。那么,这种发射方式对长征-11的快速响应有什么帮助吗?采用这种发射方式的长征-11比之前的“开拓”系列、“快舟”、长征-6运载火箭以及国外的快速响应运载火箭有什么优势?


网络上图片显示,长征-11运载火箭从一部白色的发射筒内发射,而发射筒则安装在一部多轴运输、起竖、发射车上,整个发射方式很像“东风-31”。据分析,采用这种发射车为长征-11的快速响应带来诸多便利,可大大节省在技术阵地检测、发射阵位发射的中间吊装环节,并充分利用现有技术,减少开发难度。另外,采用发射筒也有利于火箭、卫星的存储。

因为发射筒内的环境控制较容易实现,可以实现筒内温度、洁净度的控制,防止导弹元器件氧化和过度老化。一旦发生突发事件,只需对火箭进行简单检测就能发射。另外,由于采用筒式发射,该火箭很可能采用冷发射方式。也就是说先由发射筒内的燃气发生器和活塞系统将火箭弹射出筒,火箭在一定高度再启动发动机飞行。这种发射方式简化了火箭本身的设计,又能防止采用热发射时火箭发动机对发射筒和箭体的烧蚀。据专家分析,目前官方公布的长征-11可在24小时内发射,应该包括对火箭、卫星检测、对接等过程。理论上讲,目前长征-11这种采用发射筒的运输、起竖、发射车可以为整个星箭系统提供合适的储存环境,可以星箭合一的方式长期存储。用这种方式存储可以进一步大幅压缩发射周期。此外,这种方式理论上可以实现“随机发射”,即随机找到一片符合发射要求的场地就可以发射,这样可以大幅度提高战时的生存性。


如果仔细观察,实际上前段时间发射的长征-6号液体火箭也采用了一部类似军用运输、起竖、发射车的转运车,该车甚至还涂有迷彩。而“快舟”火箭的发射系统也与之十分类似。以往运载火箭首先要在技术厂房进行水平测试,然后分段运输到发射台进行组装,星箭对接、加注并进行最终测试。而火箭的小型化,则可以将这几个环节合省略。

火箭小型化、可靠性提高后,可以进行水平星箭对接、测试、然后运输到发射阵地进行起竖发射。

这些技术实际上最早是用于弹道导弹发射,以缩短反应时间。


专家认为,要实现快速发射,最关键还是提高火箭整体可靠性以及缩短火箭准备过程。

长征-11号运载火箭采用固体火箭发动机,虽然固体火箭发动机有着比冲相对较低,推力不易控制,也无法控制关机等缺点,但结构简单,燃料加注完毕后可长时间存放。而长征-6号运载火箭采用的液体火箭发动机,虽然比冲高,但需要在发射前进行燃料加注,加之整个火箭部件较多、较复杂,要进行更为复杂的检测,所以发射准备时间较长。

不过长征-6号可以实现700公斤的太阳同步轨道运载能力,这一点要大于长征-11号。


专家认为,相较于此前的“开拓-1”“开拓-2”以及“快舟”固体火箭,长征-11的最大优势在于运载能力更强。据分析,“开拓”系列以及“快舟”固体火箭是由“东风-21”弹道导弹研制而来,其最大直径只有1.4米,运载能力较低。

而长征-11据称是在“东风-31”弹道导弹基础上研发,弹体直径达到2米,700公里太阳同步轨道运载能力达到350公斤,近地轨道运载能力达到700公斤,而这两个轨道,则是目前光学、雷达侦察卫星以及电子侦察卫星使用最多的轨道。

和美日的同类火箭相比,长征-11在发射响应时间、发射费用方面也有不少优势。 

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