随着航天技术的发展,各国官方与民间的火箭发射需求正在飞速上涨,这也催促着各国加快发展下一代运载火箭的步伐。
目前,商用航天的主要需求集中在公里高度的太阳同步轨道(SSO)上。在SpaceX出场搅局之前,这个高度的卫星发射价格约为2万美元\kg左右。但是目前SpaceX凭借着梅林发动机和可回收火箭技术,将SSO轨道火箭发射价格降低到万美元\kg,只有往常水平的一半左右。
在这强大的压力之下,欧洲提出了阿莉雅6号火箭,将发射报价先降低50%;日本的下一代H3火箭也大幅减少特殊材料的使用,希望使用成熟的民用标准代替目前的航天标准以降低报价。
中国是无可争议的航天大国,但是在商用发射方面却尚有不足。根据目前公开的发射记录,年以来,咱们只发射过不超过20次海外卫星。并且,目前国内公里以下的低地球轨道卫星(LEO)轨道快舟11号火箭的发射报价是1万美元\kg,相对于猎鹰9号的0.4万美元\kg的发射报价偏高,这也是南美卫星发射市场失利的主要原因。
在这个背景之下,航天科技集团发展了下一代可回收火箭——长征八号系列,并且由长征八号指令长透露,长征八号立足于商用航天市场,要在年之前完成发各型卫星的发射任务。
长征8号火箭总指挥
长征八号是一型主要面向公里以下的LEO轨道和公里的SSO轨道发射任务的新型先进火箭。
火箭主体由两级组成,并且有两个捆绑助推器。其中芯一级使用两台年通过验收的YF-液氧煤油火箭发动机,地面最大推力吨。芯二级则使用了年首飞的YF-75液氢液氧火箭发动机,真空推力8吨,s。可以看出来在发动机的配置上长征8号是非常的保守。
长征8号具有两个子型号——带有助推器的CZ-8和不带助推器的CZ-8A这两种,目前首飞成功的是CZ-8基本型,未来计划中具备回收能力的将被命名为CZ-8R。
CZ-8R作为中国第一款可回收火箭,在设计之初就定下了四个目标:提供优质服务;发射价格降低三分之二到0.6万美元\kg;快速响应快速发射能力;以及火箭的量产能力。目前看来,为了实现8年发各型号卫星的任务,即使在考虑一箭多星的情况下,长征8号也要达到每周一发的发射密度。
为了达到这个目的,相对于传统火箭长征8号做了诸多修改。其中芯一级使用之所以使用液氧煤油发动机而不是更加先进的氢氧发动机就是经过深思梳理后的决定。目前国内的航天液氢产业发展之后,航天六院所在9月份才公布完成国产液氢生产线试运营任务,目前国内液氢生产线大部分被长征五号占用。所以讲使用液氢燃料是完全无法满足长征8号预期的发射频率的。
长征五号主要液氢燃料供应商蓝星公司
另外在火箭设计与制造上面也做出了不少修改。长征8号的燃料贮箱抛弃了贵重的航天特种金属,而是直接采用了5A06铝合金材料,不仅大幅降低了材料成本,并且有效提升了制造与焊接性能。
得益于材料的改善,之前长征系列贮舱和箭体内部大量使用机加工的方式设置加强筋,既增加了火箭建设周期,还增加了kg左右的箭体死重。在后续的CZ-8R型号中,将准备取消这些加强筋,直接使用光筒方案。
贮箱箱底的加工工艺也得到了改善,受益于国内大型机床能力的发展,长征8号贮箱底部终于用上了整体加工的贮箱底,抛弃了原本的瓜瓣焊接的工艺。缩短了80%的工期,还大大提高了可替换性,为批量生产扫清了道路。
实际上,上面讲的这些技术只能说是现有技术上的有限改进,希望大幅降低发射成本目前唯一的方法就是采用箭体可回收技术,这也是为何长征8号最为重要的改型就是CZ-8R了。
目前公开的信息是,CZ-8R将采用芯一级+助推器整体回收技术,就是助推器和芯一级并不会分离,将作为一个整体直接回收。
这套方案的优势在于,使用一套回收装置完成占全箭价值70的部分的回收任务。并且由于回收部分的自重大幅增加,降低了发动机动力的调节幅度,也降低了单台发动机重复点火的次数,提升了回收成功率。
根据目前的发射成本推算,使用整体回收方案3次发射即可实现载荷发射单价与不回收方案持平,而仅仅回收芯一级的方案则需要重复使用20次才能“回本”。
目前CZ-8R回收技术还处在分系统验证阶段。年,科研人员利用北京航空自动控制研究所研发的“孔雀”GNC验证飞行器,首次进行实时轨迹规划与控制的演示实验,完成了火箭发动机重新点火和流量推力控制技术的验证。并且在降落实验和仿真的基础上,制定了CZ-8R的铝蜂窝式对称布置的4条回收支腿的方案。
虽然回收装置会大幅降低火箭的运载能力,新增的电子设备、折叠支腿和栅格舵等也会对发射产生不利影响,但是从长远的角度看来,可回收火箭无疑是化学火箭的未来发展方向,是不可能因为这些问题因噎废食。