12.13 长征五号的四个助推小火箭比主火箭推力还大?来看里面的玄机


长征五号的四个助推小火箭比主火箭推力还大?来看里面的玄机

长征五号火箭在航天迷的圈子里被亲切地称之为"胖五"。关于胖五的各种科普知识大家应该都不陌生,但有一个技术细节可能会让外行们听了蒙圈一下:胖五尾部的四个助推火箭的推力居然达到了火箭总推力的90%还多!换句话说,中间那个巨大的主火箭(或称主发动机,学名"芯级")的推力还不到总推力的10%。这是怎么个情况??

长征五号的四个助推小火箭比主火箭推力还大?来看里面的玄机

图:长征五号的助推火箭,4个这种助推器的推力加起来就达到了火箭总推力的90%多。


要说清楚这个问题,我们必须先了解一个物理学、工程学的概念——比冲。只有清楚了这个名词的概念,我们才能搞清楚胖五主火箭与助推火箭的推力关系。当然,如果我们直接引用一堆物理学理论教材,估计99%的人会哭晕在厕所。比如,下面这两个等式您能看懂吗?

比冲越大=推力更小=火箭速度更快

比冲越小=推力越大=火箭速度更慢

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为了搞清楚比冲这个概念,我们干脆打一个简单点的比方(不一定很恰当,航天专业的同学轻拍):比冲小的火箭发动机就相当于汽车的一、二档,扭力大容易起步、上坡,但速度肯定提不起来;比冲大的火箭发动机就相当于四、五档,速度能提起来但力量不大(脑补一下开车挂五档起步)——拿目前公认的比冲最高的离子火箭发动机举例,它的推力大概只能吹动一张纸,但速度快、推力持久,适合远距离星际飞行。


长征五号的主火箭、助推火箭就分别是两种比冲的发动机:助推火箭是液氧煤油发动机,比冲小,速度慢但推力大,适合上坡起步;主火箭是液氧液氢发动机,比冲大,推力小但速度快、更持久,适合高速上拉长途。

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长征五号刚起飞离地的一段时间就相当于上坡起步,这个阶段主要靠4个助推火箭发力将火箭打出大气层;当离开大气层后,地球引力快速减少,空气阻力消失,此时便扔掉4个助推火箭靠主火箭推动前进了——相当于这时汽车的速度已经起来了,那还等啥——挂上高档,飚呗!


需要说明的是,助推小火箭的液氧煤油发动机技术相对简单,研发风险小,目前我国已经基本掌握了,并准备正式应用于长征二号的下一代——长征二号F火箭上。而难点正是主火箭的液氧液氢技术,掌握这项技术的在全世界目前仅美、俄、欧等少数国家。比如我们大家都熟悉的美国、前苏联的航天飞机,它那个标志性的大粗筒就是液氧液氢发动机。


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图:美国的航天飞机。那个硕大的橙色罐子就是存储液氧、液氢的容器和液氧液氢发动机,大家可以理解为一个超大号的煤气罐和尾部点火器。液氧、液氢(尤其是液氢)的特点是重量不大但占用空间大,所以需要巨大的容器来存储。长征五号之所以这么粗大被称之为胖五,也是这个道理。

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图:前苏联暴风雪号航天飞机,一个技术原理。

那么说到这里有些同学就会问了:长征五号已经连续两次发射不成功了,说明液氧液氢这个技术肯定难度不小,那我们为什么非要在一棵树上吊死呢?我们就不能换一种研发思路吗——例如,既然液氧煤油的难度不大,能不能造一个大号的液氧煤油发动机。大不了就是火箭离开地球后飞得慢点,但又不是早晚飞不到地方,而且难度小风险小,会不会更适合我国国情呢?


你别说,还真有人这么干过!前苏联曾经造过一种叫N1的火箭就是这个思路:将几十个液氧煤油发动机绑在一起组成一个巨大的火箭,简单暴力,直截了当。据说最大推力达到恐怖的4000多吨,相当于一次可以把一列货运列车打上太空。不过由于系统过于复杂,N1的几次试发射都失败了,之后便不了了之。


当然,几十年过去了技术又有了长足的进步,而且长征五号也未必非要追求这么变态的运载量,所以如果长征五号按照这个思路走的话,理论上是可以搞成这个东西的简化版的。


长征五号的四个助推小火箭比主火箭推力还大?来看里面的玄机

图:前苏联的N1火箭,将几十发液氧煤油发动机绑到了一起。这种火箭的优点是载重量大,可以把超重的物资送上太空;缺点便是离开地球后因为太慢不适合长距离星际飞行——极限飞趟月球还可以,如果飞火星、甚至更远的星球就太那个啥了。


我们知道毛主席那个时代有位维吾尔大叔曾经骑着毛驴去了北京。这个不是不可以,只要有耐心。但是您让他骑毛驴去趟巴黎、莫斯科试试?


说道这里很多同学应该已经听明白了:我国科学家为什么在两次发射失败的情况下,非要锲而不舍、迎难而上地在今年再次尝试第三次——他们的"小目标"恐怕不是中国版太空站、载人登月等任务这么简单,他们的目光在更远的远方!

长征五号的四个助推小火箭比主火箭推力还大?来看里面的玄机


换一种方式说,长征五号的主火箭实际上可能就是中国未来巨型火箭的上面级(也叫地球脱离级,离开地球后负责星际间飞行的火箭发动机)!


长征五号的四个助推小火箭比主火箭推力还大?来看里面的玄机

图:我国未来新一代运载火箭模型,今天的长五主发动机很可能是这种火箭的上面级,用于运载新一代神州飞船进行星际飞行。


目前,胖五正静静地树立在海南文昌的发射场,据说将于本月底发射。我们祝她马到成功、一飞冲天。星辰大海,胖五来了~



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