长征系列火箭为何不像猎鹰九号或者德尔塔5一样,直接将三组主芯级进行捆绑来提高动力?

这么弄火箭飞根本飞不起来,长征五号芯一级发动机推力很小,起飞主要靠助推器动力

长征五号火箭芯一级使用的是两台YF-77氢氧火箭发动机,该发动机地面推力52吨,真空推力70吨,所以如果把长征五号三组芯一级捆绑在一起的话,地面点火时总推力也就52×6=312吨。抱歉现在长征五号这种结构,发射重量是837吨,你312吨的推力火箭根本飞都飞不起来,哪来的提高动力?

长征五号起飞推力的90%都是来自助推器,每根助推器装有2台YF-100液氧煤油火箭发动机,单台地面推力120吨,4根助推器8台发动机提供了960吨的推力。长征五号完全是依靠助推器才能起飞,而且别看助推器体积要比芯一级小,但重量并不小,每根助推器重156吨,包含142吨的推进剂,而新一级重187吨,包含165吨推进剂。主要是芯一级是氢氧火箭发动机,液氢比重太轻,不到煤油的1/8,占用体积比较大 。

是不是觉得长征五号的芯一级很废?别急,长征五号设计优点就在这里。他的助推器虽然推力很大,但工作时间很短,只工作173秒。而芯一级虽然推力很小,但工作时间非常长,达到490秒,持续时间差不多是助推器的三倍。当长征五号发射后177秒,助推器被榨干分离后,火箭已经到达大气层边缘,飞行速度接近第一宇宙速度,此时火箭本体重量只剩下约170吨。而芯一级表示我还有110吨燃料,还可以用104吨的推力再战300多秒,从而将火箭推到距离地面200多公里的高空,加速到足够的速度再分离。

而长征五号这种设计理念,可以说综合性能非常均衡,可以胜任多种任务需要。近地轨道(LEO)运力25吨,太阳同步轨道(SSO)运力15吨,地球同步轨道(GTO)运力14吨,月球轨道(TLI)运力8.2吨,火星轨道(TMI)运力5吨。在这个级别,完全可以说是性能最均衡,特别是跟三个芯一级绑一起的两个德尔塔IV重型与重型猎鹰来说,对比太明显了。

德尔塔IV重型火箭技术水平实际上非常高,三个通用助推核心(CBC)各用一台SSME:RS-68氢氧火箭发动机。该发动机是世界上技术水平最高,性能最出色的氢氧火箭发动机,也是美国航天飞机的主发动机。RS-68发动机单台推力300吨,通用助推核心工作时间330秒钟。该发动机唯一的缺点就是价格实在太昂贵,90年代单台报价就超过5000万美元,所以导致德尔塔IV重型火箭发射成本高达4.4亿美元,是长征五号的3倍还多。

所以美国对德尔塔IV重型火箭的使用规划是用来执行昂贵的深空探测任务,该火箭跟长征五号一样采用二级半构型,发射重量733吨,比长征五号轻了100吨,LEO运力28.8吨,GTO运力14.2吨,跟长征五号差不多。但是月球轨道运力11吨,火星轨道运力8.8吨优势明显,可以说地球外才是该火箭的主场。

至于SpeaceX的重型猎鹰,则与德尔塔IV完全相反,主打的是近地轨道,使用的是液氧没有火箭发动机,采用一级半构型,不适合高空任务。猎鹰9火箭采用的是独特的可回收模式,梅林-D发动机有个特点推力可调整,因而火箭工作模式有两种,在可回收模式下,火箭发动机工作到将火箭推至距地面80公里高度时关闭,到距离地面110公里高度时星箭分离开始返回。而不可回收模式下,火箭发动机直接工作到距离地面160公里高度榨干燃料坠毁。

重型猎鹰火箭发射重量达到1420吨,两种模式下,LEO运力分别为63.8吨和54吨,性能相当不错。但GTO运力只有26.8吨和8吨,在回收模式下运力完全不合格。所以马斯克的火星计划是用猎鹰火箭把零部件一个个打到近地轨道上,然后组装成星舰从近地轨道发射去火星,猎鹰和重型猎鹰火箭都是为300公里内的近地轨道而服务。

最后顺带一提,猎鹰/重型猎鹰火箭的运力都是数学计算下的理论最大运力,比特斯拉宣称的续航里程还要虚,而长征五号如果按照这种方式的话,他的LEO运力应该是32吨以上,至于月球和火星运力,嫦娥五号和天问一号都已经略微超过公布数据……

一看题目就知道题主是内行,心很细。我看在答题区有的答友却并没有明白题主所说,把三组主芯级理解成两个助推器。我来简单说一下。不过在回答之前先纠正题主的一个错误:题主说“为何不像猎鹰9号火箭”这句话是错误的,应该是重型猎鹰火箭。另外,谁说长征火箭不采用这种方式?

美国SpaceX公司2018年1月成功发射重型猎鹰运载火箭,把一辆特斯拉跑车送入了火星轨道。

该火箭是由三枚猎鹰9号火箭直接捆绑起来构成的,构型为bab,三枚火箭都是芯级直径,所以你认为它没有助推器也可以,当然你说两边的两枚火箭是助推器也行。每个助推器安装9台梅林ID发动机,共27台。

中间这枚猎鹰9号火箭上面加了第二级,第二级安装1台真空梅林ID发动机。设计思路和结构就是这么简单,几乎完全是多枚猎鹰9号的组合。因此研制周期短,而运载能力在世界现役运载火箭中是最大的,近地轨道能力(LEO)63.3吨,地球同步轨道能力26.7吨。那为什么各国都几乎不采用这种设计呢?

原来这种设计有违传统设计理念,那就是一级发动机过多,故障率明显增大,一旦有发动机出现故障,会直接导致发射失败。另外多台发动机容易导致复杂的藕合振动、火箭推重比下降等问题,所以一般子一级设计发动机数目都在10台以里。前苏联曾经研制用于载人登月的N1火箭,其子一级设计30台发动机,结果4次发射均告失败,粉碎了苏联人的载人登月梦。

苏联N1运载火箭

自那以后火箭设计很少采用这种方式。那这次重型猎鹰火箭为什么又采用这种方式呢?是因为它采用先进设计手段确保其可靠性。采用动力冗余技术,即当有少数发动机出现故障时,在不影响其它发动机正常工作的情况下箭载控制系统对故障发动机实施紧急关机和故障隔离,继续执行并完成主发射任务的技术。 它还采用轻质箭体结构技术、牵制释放技术(火箭在起飞前利用牵制释放系统牵制住火箭,让发动机低工况工作一段时间,采集敏感参数和评估分析,快速判断发动机工作状态,提高发射成功率)、冷分离技术(助推器分离和一二级分离均采用无损式冷氮喷射分离,而不是爆炸分离)、

发动机节流技术(一二子级的节流变推力能力,保证一子级助推器分离时芯级仍有最多的推进剂,达到延长芯级飞行时间的目的),成功的解决了传统遗留问题。据可靠消息,2019年SpaceX公司准备再发射两枚重型猎鹰火箭,继续测试。

成功就是硬道理。我国科技人员已经看到了这种成功,早已经开始调整未来新一代运载火箭的发展方向和定位布局。本来我国把长征五号、长征六号和长征七号运载火箭定位为新一代运载火箭,逐步取代长征二、三、四号老旧系列运载火箭。长五长六长七全部采用通用化、模块化、智能化、系列化设计,发动机全部使用环保无毒无污染推进剂,但随着2017年7月第二发长征五号火箭的失利,暴露出很多问题,包括技术上的、设计上的、工艺上的以及定位上的不足。长征七号是从载人火箭长征二号F改进而来,起初有意专门用于载人和货运飞船的运输,

它的最大近地轨道能力14吨,以后准备逐步成为我国主力火箭,但它在运力上和长征五号有很大重复之处,目前长七正在改进,比如上面增加一级改进为长征七号甲,也就是说长征七号并不具备完全替代老火箭的能力。现在只有长征五号才是我国目前最需要的,但它的发动机比冲和推重比都不高,为弥补推力的不足当时只得增加发动机数量,从而降低了可靠性。本来打算用它搭载发射试验新一代载人飞船,但自第二发失利以来,复飞时间也是一推再推

(不过据最新消息第三发长征五号将于今年7月份发射,第四发年底发射嫦娥五号。我们预祝成功。),在它基础上研制的用于发射空间站的长征五号B火箭也受到了影响。特别是为满足未来深空载人探测比如说载人登月甚至载人登陆火星,瞄准当前最新科技全新打造的新一代多用途载人飞船必须尽早测试,

新一代载人飞船

所以我国科学家们审时度势迅速作出调整,重新定位新一代运载火箭,毅然推出新一代载人运载火箭(尚未命名),借鉴美国重型猎鹰火箭的设计理念,芯一级是直接捆绑三个相同的、直径5米的助推器,是bab构型,中间芯一级上面加二级、三级、整流罩和逃逸塔。

新一代载人运载火箭

火箭全长90米,起飞推力2000吨,近地轨道能力70吨,地月转移能力25吨。用于发射新一代载人飞船人货两用的近地版、深空版以及小行星火星探测器和未来月球基地项目。
注意有载人登月的能力。现在正处于方案论证阶段,预计2019年完成关键技术攻关。相信用不了多久一定会研制成功。

类似猎鹰重型和德尔塔4这种芯一级并联设计的重型运载火箭,的确拥有非常强的近地轨道运载力,比如猎鹰重型运载火箭的近地轨道运载力高达63.8吨,德尔塔4重型运载火箭的近地轨道运载力也高达29.2吨。可以看出这两款重型运载火箭都拥有超强的近地轨道运载力的核心就在于,其采用了三台芯一级并联设计方案来大幅提升火箭的起飞推力,继而提升其近地轨道运载力。但是为什么这种结构简单、运载力超强的设计方案却在我国“长征火箭家族”未曾见到呢?要想实现芯级并联来大幅提升火箭的运载力,就得突破两大技术难关,一个是如何保证动力冗余,一个是燃料交叉输送技术,这两个技术没有攻破之前根本无从谈起并联火箭技术。

以动力冗余来说,比如猎鹰9运载火箭的芯一级装备了多达9台梅林1D液氧煤油火箭发动机,这9台发动机采用了动力冗余技术后,就算在火箭飞行过程中,9台发动机中的最多2台发动机发生故障出现推力下降或者提前停机现象后,剩下的火箭发动机仍然能够主动增加推力或者延长点火时间来保证总推力不下降,继而保证火箭发射成功率。那么对于芯级并联的火箭而言,随着芯级并联后的一级火箭发动机数量的增加,某台发动机在飞行过程中出现故障的几率也就增加了不少,继而大幅降低了火箭的发射可靠性。但是如果采用了动力冗余技术后,就能在芯级并联大幅提升运载力的情况下依然保证火箭的安全可靠性。另外一个是火箭燃料交叉技术,火箭从发射到航天器入轨的整个过程中,火箭不仅要经历加速、程序转弯、分离等多个步骤,对于装设在火箭内部的液体燃料而言,在不同飞行姿态下的燃料消耗量也是有所不同的。比如火箭发动机没有问题,但是从燃料箱往火箭发动机输送液体燃料的涡轮泵出现转速降低、或者芯级并联的火箭单侧火箭发动机同时停机数量过多导致被停机一侧的火箭燃料消耗速度慢于正常飞行的一侧时,火箭就会因为左右两侧燃料消耗量不一样产生一侧偏斜的问题,那么这就影响到火箭的正常飞行了。所以这就牵扯到火箭动力冗余技术中的燃料交叉输送技术了,这个技术简单来说就是将一级结构的多台火箭发动机和火箭芯机以及助推级上的燃料箱之间联通,也就是芯级的多台火箭发动机可以从任何芯级或者助推级的任一燃料箱抽取燃料,这样火箭在飞行过程中也就避免了重心偏移的问题。那么对于我国的长征火箭家族而言,没有解决以上两大技术难关之前,就无从谈起看似结构简单的并联运载火箭技术。但是早在1990年我国成功发射的长征2E捆绑式运载火箭出现后,就已经用实际行动证明了我国早已掌握了这种并联捆绑式运载火箭的动力冗余技术。那么为什么之前的长2/3/4运载火箭说研制时间较早没有采用芯级并联可以理解,最新的长征五号和长征七号运载火箭依然没有采用这种并联捆绑方式来大幅提升火箭的运载力呢?长征二号火箭衍生自长征一号运载火箭,而长征一号则是基于洲际导弹发展而来,后面长征2E虽然首次实现了捆绑助推器的结构设计大幅提升了长征2号火箭家族的运载力。但是对于当时的中国而言,在航天技术上整体比较薄弱,相比构型更为复杂的并联火箭设计而言,还是更为简单的串联结构设计更符合当时的中国航天发展,包括后面的长征三号、四号火箭家族都延续自上一代火箭衍生如此,所以这也是长征2/3/4运载火箭家族虽然后面都发展出了捆绑助推器的结构方案、但是并没有出现过一款相同芯一级并联捆绑的设计方案。其次从现有长征2F和长三、长四运载火箭的现有几款构型来说,现有的长征2F专职载人航天器发射任务,主攻近地轨道。其芯一级就装备了四台单台推力只有75吨的液体火箭发动机,所以就算并联后的推力提升也不大,反而并联设计降低了火箭的安全可靠性,不利于载人航天发射任务需求。后面的长征三号和长征四号火箭家族虽然专攻高轨发射任务,但是火箭整体结构依然延续自长征二号火箭家族,所以芯一级并联也不合适。那么全新设计的长征五号为什么没有使用“通用一级并联”这个设计呢?主要原因在于可靠性问题,比如此前中国航天载人办公室曾公布过一个921运载火箭的设计方案,这个方案中的一级火箭就采用三台长征五号通用芯一级并联方案设计,但是一级火箭的发动机数量却达到了7台,使得一级火箭发动机总数高达21台发动机,数量更多的发动机虽然有效提升了火箭的起飞推力和载荷以及增加了火箭的动力冗余,但是数量更多的火箭发动机也增加发动机故障率的风险点。而且长征五号B其实最开始是有载人版本的,那么以载人火箭的技术指标标准来说,主要要符合:发动机总推力大、具备应急逃生系统三大标准和高可靠性、高安全性、高质量三大要求,特别是三大要求上,发射卫星的火箭可靠性要求大约为0.9,安全性并无特殊要求,而发射载人飞船的火箭可靠性不得低于0.97,安全性要求更要达到0.997。这就要求载人火箭在高可靠性设计上全面采用冗余技术,即关键设备增设备份,使两套系统同时处于工作状态,一旦其中一套出现故障,另一套马上可以接替工作。所以在全球各国采用的载人火箭设计上,为了提高火箭的高可靠性和高安全性指标,都是采用少发动机数量、大推力火箭发动机的方式来实现载人航天需求。再一个以长征五号的设计目标—近地轨道运载力达到22吨以上,满足中国载人空间站建设和嫦娥五号登月器等深空探测器发射任务需求来看,长征五号已经确定使用单台推力达到120吨的YF100液氧煤油火箭发动机,那么从简化结构、提升火箭安全可靠性角度出发的话,长征五号也没必要采用复杂的通用一级并联设计方案。后面虽然长五的载人方案取消了,载人飞船发射计划让位给长征七号运载火箭,但是长七就是长三的壳子、长五的动力结合体,而且长七既然定位于载人方案,更不可能采用并联设计了。就像美国的德尔塔4重型运载火箭和猎鹰重型火箭虽然起飞推力和运载力都很强,但是这两款火箭从一开始就只用于货运发射任务安全可靠性都比较低,别说载人发射了,就是一些高精密的大型航天器发射任务都轮不上。再有猎鹰重型的并联设计虽然运载力很强,而且SpaceX不止一次成功发射了猎鹰重型火箭,但是其下一代的星舰依然采用了串联设计,而且发动机数量也从之前猎鹰重型的27台缩减到7台,就是为了满足载人发射的动力故障率更低要求。总结来说,之前采用毒燃料的长征二号、三号、四号火箭家族因为研制时间较早、而且整体结构设计基本都衍生自长征一号运载火箭,所以一直没有采用通用芯级并联设计方案能够理解;后面的长征五号和长征七号依然没有采用通用芯级并联也是有各自原因的。当然从未来航天发展需求来说,随着各种航天器的质量越来越大、大规模集群发射能够显著降低发射成本来说,未来随着我国在航天技术发展上较为成熟之后,相信我国也会开发装备大推力火箭发动机的“通用芯级并联火箭”。

编辑了一下,想想还是不搬生涩的数据了,尽量简单通俗点说。

火箭芯级就是中间最底部那根,也称芯一级,芯级上面的是二级,助推器不管多少都算半级。美国的二级可以多次点火当三级用,现役三个系列的主力火箭均为二级或二级半,中俄主力火箭为三级半,个别型号四级半。

三芯级并联是指德尔塔4h和重型猎鹰,运载能力分别是现役第二和第一

这两款火箭都能光杆起飞,也能把三个芯级拼起来用,中间那根顶着二级,或称CBC构型,Common Booster Core,德尔塔4H首创。

光杆运力也能达到近地轨道9.4吨,同步转移轨道4.4吨,中大型火箭的水平

CBC构型,近地轨道运力28.8吨,同步转移轨道运力14.2吨,轨道约高优势越明显,火星运力能达到9吨

德尔塔4H是靠强劲的大推力氢氧发动机(不是俄罗斯的,不是俄罗斯的,不是俄罗斯的,重要事情说三遍,省的又有秀儿)。芯级上只有一台RS68A,单台330吨的推力,一二级自重250吨,光杆起飞。

*310吨的是RS68,2015年后升级为RS68A,2015年前后的德尔塔4H运力不一样。很多资料根本不做区分

重型猎鹰的梅林1D+发动机的推力只有86吨,但它有史上最高的198:1的推重比,可以在3.75米直径的箭体上密密麻麻的布置9台发动机,芯级推力774吨,自重549吨,光杆起飞。

什么概念?都知道RD180推力大,但是它有2个燃烧室,直径3.15米,重5.4吨,一根芯级只能装一台,400吨 VS 774吨

3.81米直径的宇宙神5,只能装一台RD180

3.75米直径的猎鹰9,能装9台

*左边是早期版本

已经连续成功发射100次(截止2021年5月总119次,每周一发,数字变化很快)的猎鹰9号,其消耗性运力本身就是现役前四前五的存在,3个猎鹰9号并联自然是稳坐了三年的世界第一,不过再过几个月就会被NASA的超重型火箭SLS超过。

长征系列大部分型号的起飞推力主要靠2~4个不等的助推器,芯级推力小,所以三个芯级捆绑也是飞不起来的。也有个别能光杆起飞的型号,但都是些小火箭也无所谓并不并联了。

比如长五1060吨推力中的960吨来自于4个助推器上的8台YF100。芯级两台YF77每台推力52吨,两台104吨如何能推动一二级至少225吨的自己?火箭设计之初就定下了,没法改,也不需要改

传说中2025首飞的”新921″就将采用重型猎鹰和德尔塔4H的CBC芯级并联构型,5米直径布置7台YF100K,三个芯级共21台发动机,可以光杆起飞。

右边那个,这是重型猎鹰首飞第二年出现在珠海航展上最初那版模型,最新的PPT逃逸塔没有了

这只是工程上的问题,除了重猎鹰,德尔塔4也算这种构型。美国外为什么少用这种构型?一个比较直接的原因是这种构型的灵活性不够好,用芯级+助推构型(一级半)的好处是灵活性稍好些,例如长七,可以是:1,1+2,1+4,运载能力不一样,按不同任务可以是单芯级,1+2,1+4,运载能力差一倍多,而三芯构型运载能力基本不变,要充分利用运能,就只能凑载荷,不够灵活。

但凡事总有例外,当某型火箭只做一个任务相近的运载工具时,为了节约研究费用,确实是可以这样做的。还以长七芯级为例,可以稍做改进,让芯级只装2发,推级4发,1+2构型,总10发,这样在增加起飞推力的同时又可以延长芯级工作时间,比纯1*3的能效稍高,当然,火箭也比纯1*3的稍复杂一点。

重型猎鹰的情况更特殊: 一级可回收再利用!这样,一致性比灵活性更重要,毕竟,火箭比燃料贵太多,开发费用又比生产费用贵不少,做两型火箭当然没有一型来得简单粗暴,只要单位载荷足够便宜,凑载荷似乎不是问题,所以重猎鹰采用1*3是根据自身特点来的。

一句话,技术储备不够。

加助推器和捆绑芯级火箭的区别在于助推器不带燃料,纯粹是增加推力。原因就是芯级火箭推重比太低了。加入芯级推重比是1.2,捆绑多两个芯级 仍然是1.2。但加助推器后就可以提高到2.0(假设)。

首先,这完全是历史造成的。

当年前苏联质子号火箭的几次失败太可怕了,我们的科学家和航天领导层大概有了心理阴影,对于特别强调成功率的中国航天来说,这种情况是不可以接受的。

第二,是思路造成的差异。

马思克是遵循所谓第一性原理,只要能达到目的,可以随便玩,只要他玩的起,大不了多失败几次,他的战略就是在大量试错中找到成功的路。但中国航天不允许这样做,我们从来都是只能成功,不许失败。哪怕是用一小部分失败换取更大的成功也不行。说白了就是保守一点。当然主要还是以前我们太穷,输不起。

第三,这种情况正在改变

中国航天领导层换了新人就会有新的思路,921不就准备改变了吗!中国航天要想从跟踪战略向超越战略和领先战略转变就必须要有新的思路和创新,走别人没有走过的路,更何况是别人已经走成功的路。捆绑式火箭有优势有短板,而且随者技术的进步和发展优势和短板都在不断变化,我们要做的就是实事求是而不是从概念出发,死抱着历史上的问题不放,一着被蛇咬,十年怕井绳,更何况蛇咬的是别人。要而是根据需要和现实情况进行取舍,用发展的眼光去看问题。

你说的就是921火箭,三节长五一级火箭绑一起,2025年之前可能就会上天。
坊间流传的921重型火箭参数:
直径:5米
箭长:87米
起飞重量:约2200吨
起飞推力:约2700吨
LEO运力:70吨
GTO运力:32吨
LTO运力:25吨



首先长征系列用的火箭不管是主芯还是助推的直径都不是很大,火箭发动机推力也不是很强,所以整体火箭吨位都不是很大,这和我们的技术有关。目前推力最大的就是长征5B了,等过几年我们的技术成熟了长征9号大推力重型火箭自然会诞生,要说我们现在能不能造出长征9号?可以,但是不敢保证成功,毕竟一发火箭价值高昂,炸了就浪费了,所以没有把握的事还是等等吧。

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