我预言三级火箭未来或将淡出航天发射
顾景林
早期发射近地轨道航天器采用的是两级火箭,后来发射小质量的高轨航天器,发射能力不够,自然采取了在二级的基础上增加一级的办法。然而,随着航天器轨道越来越高,质量越来越大,需要的火箭推力越来越大,火箭一级筒体的直径也由3米扩大到5米,10米……
美国发射阿波罗飞船的土星5号火箭第一级直径为10米,装满燃料后的重量约2300吨,第二级重490吨,第三级重114吨。它的第二级原本是两级火箭的第一级,改成三级火箭后,第一级的重量就猛增了4~5倍。根据“土星5号”的经验数据,第三级增加1kg,相当于第二级增加4~5kg,相当于第一级增加14kg。土星5号一次发射的成本比大型核动力航空母舰还要高。
在运载能力低下的阶段适当提高运载能力是必需的,但当运载能力达到一定水平后,还会这样一直简单放大下去吗?还有没有其它解决方式呢?
陆地运输的卡车的载重量有一个从3吨,到5吨,10吨的提高过程,现在有的重卡的载重量达到了40吨。由于制造能力,道路,桥梁,隧道,经济性各方面条件的限制,不允许通用卡车的载重量无限制地增加下去,人们更多的是采取分解运输的策略,载重量一辆车不够,就用两辆车分担,拉一次不够,就多拉几次,不追求把一批货物用一辆车一次运走。
航天器也可以采用这种分解运输方式吗?回答是肯定的。
航天器一旦达到第一宇宙速度进入近地停泊轨道后,即可无需动力自我维持飞行,就可有充分的时间等待进行航天器(包括火箭推进器)对接、燃料补加或追加外挂燃料包等作业,进而实现接续推进。大质量航天器还可以选择易于组装、分解的部位进行拼装,从而实现分次运输。尤其是分合无痕的液体燃料,
而火箭接力推进器的对接是一种仅以传力为目的简易太空对接,没有飞船的舱室及缆管连通、密封等要求,可比级间连接更简单。
中国航天已经实现了飞船舱段2~2.5小时快速自动交会对接,如果在不同发射场或同一发射场的不同发射塔架进行短间隔追踪发射,或者预先发射航天器(如火箭接力推进器)在轨等待,还可以进一步减少航天器对接的时间。
用组合接力推进发射方式发射大质量高轨航天器,地面火箭发射能力只要能够满足将航天器以第一宇宙速度发射到能够短期维持的低近地轨道的要求就够了,后续推进能力从理论上讲是可以分次无限供给的。因此,限制环节仅在地面火箭的近地轨道发射能力上,后续推进不存在问题。
本方式摒弃了那种直接从地面将航天器整体用蛮力火箭一次性推送入轨的思路,将任务需要专门新研的装备分解、转化为成熟可靠的常规技术装备的重复、叠加运用。
譬如可以发射火箭推进器与运行在近地轨道的飞船对接,将其进一步推进到奔月轨道。这样,地面发射就可能无需象“土星五号”那样的超大推力火箭,采用现有的5米芯级的“长征五号”或其改进型(也包括“长征十号”)配合另外的火箭推进器就可实现。
确立这种模式后,发射深空航天器不必每次都研制专门的发射系统,无论目的地多远,地面都只需发射到近地停泊轨道,然后由另外的发动机推力比航天器自带发动机更强劲的独立火箭推进器将它接力推进到目的地,这样就可以节省大量研制经费,加速研制进程,提高可靠性,无论发射哪个星球的探测器,都可以马上着手进行。
我预言三级火箭未来或将淡出航天发射,“土星五号”和“星箭”不是未来的发展方向!
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