【長征五號】VS【火神

老老樹皮 2024-03-18 發(fā)布于美國

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長征五號系列簡介

長征五號系列運載火箭是中國為了滿足航天發(fā)展需要，在2006年立項研制的大型低溫液體捆綁式運載火箭，現(xiàn)已服役長征五號和長征五號B兩種構(gòu)型。

長征五號

長征五號為兩級半火箭，芯一級直徑5米，長度33.158米，推進劑質(zhì)量165噸，干重21.6噸，起飛質(zhì)量186.6噸，起飛推力1036 kN。使用的兩臺燃氣發(fā)生器循環(huán)雙擺YF-77氫氧發(fā)動機，單臺最大推力518 kN（52.8噸，地面）/700 kN（71.4噸，真空），比沖3106 m/s（316.7 s，地面）/4197 m/s（428 s，真空）。芯一級捆綁有4枚直徑3.35米助推器，采用液氧煤油推進劑，工作時間為175秒。每個助推器使用兩臺YF-100發(fā)動機，僅擺動靠近芯級的1臺發(fā)動機。單個助推器長度27.647米，推進劑加注量143噸，單枚助推器質(zhì)量156.8噸。

芯二級長度11.54米，干重7噸，燃料質(zhì)量32噸（主推進劑）+0.2噸（姿控推進劑），總重量39噸。使用兩臺相同的雙擺YF-75D閉式膨脹循環(huán)氫氧發(fā)動機，雙向擺動4°，可兩次起動。YF-75D噴管面積比為80:1，混合比6.0，真空推力88.36 kN，真空比沖442.6秒。

長征五號可選配遠征二號上面級執(zhí)行高軌長續(xù)航任務(wù)。遠征二號上面級空重3噸，推進劑為四氧化二氮/偏二甲肼，最多可攜帶9噸，配備兩臺YF-50D發(fā)動機，單臺真空推力6.5 kN，真空比沖3099 m/s。遠征二號上面級可兩次啟動，完成任務(wù)后可主動離軌。在配備遠征二號時，長征五號基本型的直送GEO運力大于5.1噸。

遠征二號上面級

長征五號有效載荷整流罩外形是馮·卡門外形+圓柱形，由兩個半罩組成，直徑5.2米，長12.267米。整流罩采取了降噪措施，以改善發(fā)射過程中有效載荷的環(huán)境。另有直徑5.2米、長18.5米的長整流罩，可適應(yīng)一箭一星以及一箭雙星串聯(lián)發(fā)射任務(wù)，其中雙星串聯(lián)任務(wù)可一次性發(fā)射兩顆東方紅四號增強型平臺的衛(wèi)星，也可一次發(fā)射東方紅三號增強型和東方紅五號平臺衛(wèi)星各一顆。

長征五號B

長征五號B運載火箭是以長征五號運載火箭助推器和芯一級為基礎(chǔ)，去掉長征五號的芯二級，并采用20.5米長的整流罩進行改進，專為向近地軌道發(fā)射20噸級大型艙段而研制的一級半運載火箭。

長征五號系列火箭各構(gòu)型運力預(yù)測（來源于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考）

上表為長征五號系列火箭最大理論運力預(yù)測，與火箭實際運力可能有5-10%誤差，官方通稿中一般表述為長征5號B近地軌道運力23-25噸，長征五號地球同步轉(zhuǎn)移軌道運力13-14噸，地月轉(zhuǎn)移軌道運力不低于8.2噸，地火轉(zhuǎn)移軌道運力不低于5噸，長征五號搭載遠征二號上面級直送地球靜止軌道運力不低于5.1噸。

長征五號系列火箭參數(shù)（數(shù)據(jù)來源于網(wǎng)絡(luò)，僅供參考）

截止現(xiàn)在，長征5號已經(jīng)發(fā)射7次、長征五號B已經(jīng)發(fā)射4次，由于長征五號系列火箭新技術(shù)應(yīng)用比例超過90%，所以初期發(fā)射的幾枚火箭技術(shù)指標相差較大，特別是經(jīng)過長征五號遙二火箭發(fā)射失利后長達3年的故障歸零中，整箭許多技術(shù)狀態(tài)發(fā)生了較大改變，應(yīng)用了多項減重技術(shù)，導(dǎo)致長征五號火箭高軌運力有了較大提升。

長征五號每次發(fā)射中各級的燃料加注量也略有不同。比較有代表性的是長征五號遙四發(fā)射天問一號火星探測器時，芯二級僅工作了640s，與長征五號其他發(fā)射芯二級通常工作660s-670s相比短了半分鐘，可以確定長征五號遙四發(fā)射天問一號火星探測器時沒有滿載。

綜合網(wǎng)絡(luò)上公開資料推算，保守估計長征五號地月轉(zhuǎn)移軌道LTO運力不會低于9噸,地火轉(zhuǎn)移軌道MTI運力不會低于6噸。

火神-半人馬座系列簡介

火神-半人馬座（Vulcan Centaur）運載火箭是聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟（ULA）研制的的新一代運載火箭，將取代宇宙神5系列與德爾塔4重型火箭。其芯一級使用兩臺BE-4發(fā)動機，并計劃通過隔熱護盾回收發(fā)動機。BE-4液氧甲烷富氧循環(huán)發(fā)動機是藍色起源公司生產(chǎn)海平面推力240噸，海平面比沖310秒,真空比沖340秒。

火神-半人馬座VC2S

該火箭可捆綁0、2、4或6個來自諾斯羅普格魯曼的GEM-63XL助推器。當火神不捆綁助推器時，芯級將減少加注量以提高發(fā)射時推重比?；鸺墝⒀赜肦L-10系列發(fā)動機，安裝兩臺RL10C-1-1A氫氧發(fā)動機。未來將使用RL10C-X發(fā)動機，性能得到進一步提升。

火箭整流罩直徑5.4米，提供高度15.5米標準配置（S）和高度21.3米長配置（L）兩種整流罩。

火神-半人馬座運載火箭命名為VCab，VC為Vulcan Centaur縮寫，a表示固體助推器數(shù)量（0/2/4/6），b表示整流罩的高度（S/L）。

火神-半人馬座系列運載火箭運力預(yù)測

由于火神-半人馬系列火箭至今只進行過一次Vc2S構(gòu)型發(fā)射，所以上表中的數(shù)據(jù)為根據(jù)ULA官方公布的數(shù)據(jù)及網(wǎng)絡(luò)上可查詢數(shù)據(jù)進行整理預(yù)測，可能與實際運力存在5-10%誤差，僅供參考。結(jié)合以往的經(jīng)驗，“黑店”ULA除了價格貴點以外，以往火箭運力公布的數(shù)據(jù)還都是比較真實的。

長征五號VS火神-半人馬運力比較

長征五號起飛重量860噸，標準200km*35786km傾角19°的地球同步轉(zhuǎn)移軌道GTO運力13.5-14噸,地月轉(zhuǎn)移軌道LTO運力8-9.5噸,地火轉(zhuǎn)移軌道MTI運力5-7噸,長征五號B起飛重量830噸左右，標準200km*200km近地軌道LEO運力23.5噸。

火神-半人馬Vc6S構(gòu)型起飛重量760噸，標準200km*200km傾角28°近地軌道LEO運力27.2噸，標準200km*35786km傾角28°的地球同步轉(zhuǎn)移軌道GTO運力14.4噸,地月轉(zhuǎn)移軌道LTO運力11.3噸,地火轉(zhuǎn)移軌道MTI運力7.6噸,直送地球靜止軌道GEO運力6.3噸。

長征五號和火神-半人馬Vc6S相比，理論上標準200km*200km近地軌道LEO運力強32%，但長征五號實際上不會發(fā)射200km*200km近地軌道載荷，如果拿長征五號B與之相比，標準200km*200km近地軌道LEO運力比火神-半人馬Vc6S低9%。550km*550km太陽同步軌道SSO運力相當，地球同步轉(zhuǎn)移軌道GTO運力低3-7%。地月轉(zhuǎn)移軌道LTO運力低19%,地火轉(zhuǎn)移軌道MTI運力低26.5%。

長征五號芯二級僅能2次啟動，不具備將載荷直送地球靜止軌道GEO的能力，需要在搭載遠征二號上面級后可以將5.4噸左右的載荷直送地球靜止軌道，火神-半人馬Vc6S的芯二級半人馬座5上面級最多可啟動7次，直送地球靜止軌道GEO運力6.3噸，要比長征五號+遠征二號直送地球靜止軌道GEO運力強16.5%。

作為中國和美國現(xiàn)役的兩型大型運載火箭，長征五號比火神-半人馬Vc6S構(gòu)型起飛重量大100噸，且助推器/芯一級發(fā)動機比沖均優(yōu)于火神-半人馬Vc6S。長征五號只有近地軌道理論運力強于火神-半人馬，而實際發(fā)射近地軌道載荷長征五號B構(gòu)型只能達到火神-半人馬Vc4L的運力，兩型火箭中高軌道運力相似，行星際載荷發(fā)射長征五號要比火神-半人馬Vc6S差一截。

長征五號助推器主動力YF-100發(fā)動機海平面比沖300s，火神-半人馬Vc6S助推器GEM-63XL固體發(fā)動機海平比沖265s。YF-100發(fā)動機比GEM-63XL助推器發(fā)動機比沖高13%左右。長征五號助推器單枚干重13.1噸，總重156.8噸，干質(zhì)比11.3,火神-半人馬Vc6S助推器單枚干重5.2噸，總重50.3噸，干質(zhì)比9.7。長征五號助推器干質(zhì)比比火神-半人馬Vc6S助推器干質(zhì)比高16.5%。單從助推器分析，長征五號比火神-半人馬Vc6S火箭更有優(yōu)勢。

長征五號芯一級主動力YF-77液氫液氧發(fā)動機海平面比沖317s，真空比沖428s，火神-半人馬Vc6S芯一級主動力BE-4液氧甲烷發(fā)動機海平比沖310s，真空比沖340s。兩型火箭均為高能一級，且芯一級工作時間超過300秒，隨著高度的增加，發(fā)動機比沖也增加，綜合計算整個芯一級工作期間，YF-77發(fā)動機比BE-4發(fā)動機比沖高15%左右。長征五號芯一級干重21.6噸，總重186.6噸，干質(zhì)比8.63,火神-半人馬Vc6S芯一級干重27噸，總重377噸，干質(zhì)比14。長征五號芯一級干質(zhì)比比火神-半人馬Vc6S芯一級干質(zhì)比低62%。

之所以干質(zhì)比相差如此之大，并不能完全歸結(jié)于長征五號芯一級設(shè)計落后，主要原因是由于液氫密度過小所致，所有采用液氫液氧燃料的火箭級都繞不開這一困擾，干質(zhì)比都很難做的很高。從芯一級分析，長征五號和火神-半人馬Vc6S火箭各有優(yōu)勢，長征五號芯一級雖然干質(zhì)比奇差但YF-77發(fā)動機比沖相比于火神-半人馬Vc6S火箭BE-4優(yōu)勢明顯，當然，長征五號芯一級在獲得了液氫液氧高比沖加成的同時也付出了更重的結(jié)構(gòu)重量的代價。

長征五號采用大質(zhì)量助推器+小質(zhì)量芯一級，火神-半人馬Vc6S采用小質(zhì)量助推器+大質(zhì)量芯一級，且火箭飛行前段時間助推器和芯一級同時工作，我們以發(fā)射14噸重地球同步軌道載荷為例，通過計算，長征五號助推器和芯一級大概能提供7400m/s的速度增量，芯二級大概提供4000m/s的速度增量，火神-半人馬Vc6S助推器和芯一級大概能提供5750m/s的速度增量，芯二級大概提供5700m/s的速度增量。

長征五號助推器和芯一級總質(zhì)量約813.4噸，火神-半人馬Vc6S助推器和芯一級總質(zhì)量約678.8噸，長征五號助推器和芯一級在重量大20%的前提下，多提供了29%的速度增量。也就是長征五號助推器和芯一級整體性能要稍優(yōu)于火神-半人馬Vc6S助推器和芯一級。長征五號芯二級提供的速度增量則比火神-半人馬Vc6S芯二級少了42.5%。分析到這里，長征五號高軌運力拉胯的罪魁禍首可以確定就是芯二級。下面就來著重看一下兩型火箭的芯二級。

長征五號芯二級

長征五號芯二級采用5米直徑火箭上面級模塊，使用液氫和液氧作為推進劑，芯二級貯箱采用獨立箱體結(jié)構(gòu)而未采用共底結(jié)構(gòu)，液氫箱直徑5米，液氧箱直徑3.35米，液氧箱位于液氫箱下部。二子級液氫箱采用球形底的箱底結(jié)構(gòu)形式，箱筒段為光筒殼;前、后短殼采用正置正交網(wǎng)格結(jié)構(gòu);芯二級液氧箱的前、后箱底采用橢球底，前、后短殼和箱筒段均為光筒殼。主體結(jié)構(gòu)材料為2219鋁銅合金。芯二級箱間段為倒錐形，大端直徑5米，小端直徑3.35米，采用復(fù)合材料桿結(jié)構(gòu)。

美國的德爾塔4系列火箭二級DCSS和SLSBlock 1二級ICPS采用的也是類似結(jié)構(gòu)。此構(gòu)型雖然有利于簡化操作、提高可靠性、降低成本，但代價就是結(jié)構(gòu)重量偏大，長征五號芯二級干重7噸，可裝載32噸液氫液氧推進劑，滿推進劑總重39噸，二級干質(zhì)比僅為5.57左右。

火神火箭芯二級采用半人馬V上面級模塊，同樣使用液氫和液氧作為推進劑，現(xiàn)階段采用兩臺RL10C-1-1A作為主動力，貯箱采用共底結(jié)構(gòu)，共底貯箱直徑5.4米，液氧箱位于液氫箱下部。

半人馬V上面級在干重只有6噸多，可裝載54噸液氫液氧推進劑，二級干質(zhì)比接近于9.5-10。這在液氫液氧上面級中已是非常變態(tài)的數(shù)據(jù)了，相比之下我國長征三號和長征七號甲的芯三級干質(zhì)比只有7.3左右，美國德爾塔4系列火箭二級DCSS-5上面級干質(zhì)比9左右，半人馬Ⅲ上面級和德爾塔4系列火箭二級DCSS-4上面級干質(zhì)比能達到10左右。

長征五號芯二級采用的是兩臺相同的雙擺YF-75D氫氧發(fā)動機，該發(fā)動機由長征三號甲三子級氫氧發(fā)動機YF-75進行適應(yīng)性改進而來，采用閉式膨脹循環(huán)，以提高可靠性和適應(yīng)地面循環(huán)預(yù)冷的要求，雙向擺動4°，兩次起動。YF-75D噴管面積比為80:1，混合比6.0，真空推力88.36 kN，真空比沖442.6秒。

半人馬V上面級安裝兩臺RL10C-1-1A氫氧發(fā)動機，該發(fā)動機采用閉式膨脹循環(huán)，最多支持12小時待機內(nèi)七次起動。RL10C-1-1A噴管面積比為155:1，混合比6.0，真空推力106kN，真空比沖454秒。

相比之下，長征五號芯二級干質(zhì)比要比半人馬V上面級干質(zhì)比低80%以上，RL10C-1-1A氫氧發(fā)動機比沖比YF-75D氫氧發(fā)動機高2.5%左右，推力高20%左右（上面級都工作在真空中，此時推力不夠可以用燃燒時間來湊，因此此項數(shù)據(jù)對比對兩型火箭運力影響不大）。

由此可見，一款先進的上面級火箭對火箭高軌運力的影響有多大！

長征五號/七號系列火箭作為我國新一代大中型運載火箭，由于與上一代運載火箭相比，采用的都是全新技術(shù)，研制風(fēng)險較大，以至于火箭的部分指標選擇的比較保守，縱然如此，還是出現(xiàn)了長征五號遙二和長征七號甲遙一發(fā)射失利的狀況。如今隨著新一代運載火箭發(fā)射次數(shù)的增加，大部分新技術(shù)已經(jīng)得到了有限的驗證，為了進一步發(fā)掘長征七號甲運載火箭的高軌運力，3.35米直徑中型火箭通用液氫液氧上面級以完成原型研制，不就即將應(yīng)用于長征七號甲和長征八號等火箭。

同樣的長征五號的芯二級如果能得到進一步的加強，將大幅的提高長征五號的高軌運力，最經(jīng)濟可行的方案是可以考慮將長征十號的5米直徑級液氫液氧芯三級經(jīng)過適當改進后替換現(xiàn)有的長征五號芯二級。

長征十號火箭為我國載人登月任務(wù)的主力火箭，其芯三級安裝三臺YF-75E氫氧發(fā)動機，每臺發(fā)動機雙向擺動。YF-75E發(fā)動機真空推力92.108 kN，真空比沖4424 m/s，噴管面積比175。三級采用輔助動力完成滑行段的姿態(tài)控制、推進劑管理和有效載荷分離前模修、調(diào)姿。該火箭計劃將于2026-2027年前后首飛，由于火箭還未首飛，因此其各級結(jié)構(gòu)參數(shù)尚無確切數(shù)據(jù)。按其起飛重量、構(gòu)型、飛行時序及官方公布的運力分析，長征十號火箭芯三級干重在7-9噸左右，燃料加載量在50-70噸左右，整體干質(zhì)比8-9左右這個區(qū)間較為合理，其整體規(guī)模會略大于半人馬V上面級，小于美國SLS Block 1B/Block2芯二級采用的EUS上面級。

這里以長征五號換裝干重在8噸左右，燃料加載量在60噸左右，整體干質(zhì)比8.5的芯二級計算，長征五號火箭整體起飛重量將達到900噸左右（不含有限載荷），相較于現(xiàn)有構(gòu)型增重30-40噸左右，為保持足夠的起飛推重比，助推器可換裝8臺130噸級YF-100K液氧煤油發(fā)動機，火箭起飛推力由現(xiàn)在的1060噸提高到1150噸左右，安全可以滿足。

長征五號+改進芯二級運力預(yù)測

長征五號在換裝加強版芯二級后，近地軌道LEO運力能提高到40噸以上，比現(xiàn)有構(gòu)型提高20%，550Km/700Km太陽同步軌道SSO運力提高到24-28噸左右，比現(xiàn)有構(gòu)型提高25%以上，地球同步轉(zhuǎn)移軌道GTO運力提高到18噸左右，比現(xiàn)有構(gòu)型提高30%左右，地月轉(zhuǎn)移軌道LTO運力提高到13噸左右，比現(xiàn)有構(gòu)型提高40%左右，地火轉(zhuǎn)移軌道MTI運力提高到10噸左右，比現(xiàn)有構(gòu)型提高50%左右，搭配遠征二號上面級后直送地球靜止軌道GEO運力7.6噸，比現(xiàn)有構(gòu)型提高40%左右。

與火神-半人馬Vc6S構(gòu)型相比，長征五號在換裝加強版芯二級后，近地軌道LEO運力強60%，550Km/700Km太陽同步軌道SSO運力強25%左右，地球同步轉(zhuǎn)移軌道GTO運力強25%左右，地月轉(zhuǎn)移軌道LTO運力強20%左右，地火轉(zhuǎn)移軌道MTI運力強40%左右，搭配遠征二號上面級后直送地球靜止軌道GEO運力強20%左右。