長(zhǎng)征五號(hào)，為什么會(huì)被稱為“胖五”?
即將在海南文昌發(fā)射的中國(guó)新一代重型火箭長(zhǎng)征五號(hào)，因?yàn)槠潴w格粗壯，這種火箭被關(guān)心航天的人們昵稱為“胖五”。
以往，由于我國(guó)的發(fā)射場(chǎng)都處于內(nèi)陸地區(qū)，火箭從生產(chǎn)廠房向發(fā)射基地轉(zhuǎn)運(yùn)時(shí)必須通過鐵路來進(jìn)行。
受鐵路限界的限制，以往長(zhǎng)征火箭的芯級(jí)直徑都不大于3.35米。
新啟用的海南文昌發(fā)射基地，因其處于海濱，火箭可以通過輪船運(yùn)輸，可以發(fā)射直徑更大的火箭。
今年6月在文昌基地成功發(fā)射的新一代中型運(yùn)載火箭長(zhǎng)征七號(hào)，為了在以后的使用中“兼容”其他發(fā)射基地，芯級(jí)直徑也被設(shè)計(jì)為了3.35米。
長(zhǎng)征五號(hào)首次突破了這一限制，芯級(jí)直徑達(dá)到5米，從外觀看壯碩了不少。
運(yùn)載火箭的主要性能指標(biāo)是近地軌道(簡(jiǎn)稱LEO軌道)運(yùn)載能力和地球同步轉(zhuǎn)移軌道(簡(jiǎn)稱GTO軌道)運(yùn)載能力等。
近地軌道 一般指軌道高度在2000公里以下的軌道，需要用重載火箭發(fā)射到近地軌道的飛行器，一般都是載人航天所使用的宇宙飛船和空間站艙段。
而地球同步轉(zhuǎn)移軌道，則是指近地點(diǎn)在1000公里以下，遠(yuǎn)地點(diǎn)為地球同步軌道高度(36000千米)的橢圓軌道。
火箭在發(fā)射工作于地球同步軌道的衛(wèi)星時(shí)，一般會(huì)將衛(wèi)星先送到這個(gè)軌道上，再由衛(wèi)星或上面級(jí)自身的動(dòng)力轉(zhuǎn)移到同步軌道上。
比起目前使用的長(zhǎng)征二號(hào)、三號(hào)、四號(hào)系列火箭，長(zhǎng)征五號(hào)的這兩個(gè)指標(biāo)均有質(zhì)的提高。
與國(guó)際上目前使用的主流重載火箭相比，長(zhǎng)征五號(hào)的指標(biāo)也已經(jīng)處于世界先進(jìn)水平。
下表給出了長(zhǎng)征五號(hào)性能的縱向與橫向?qū)Ρ取?/p>
未來，長(zhǎng)征五號(hào)強(qiáng)大以其強(qiáng)大的推力，將在我國(guó)空間站和月球返回飛行器的發(fā)射中發(fā)揮不可替代的作用。
長(zhǎng)征五號(hào)的起飛動(dòng)力，是由火箭芯級(jí)周圍的四個(gè)助推器和火箭芯一級(jí)共同提供的。
四個(gè)助推器的直徑為3.35米，看起來要比直徑5米的火箭芯級(jí)”瘦弱“不少。
但實(shí)際上，無論是從他們的起飛重量還是起飛的推力來看，瘦弱的助推器絲毫不遜色于胖胖的火箭芯級(jí)。
在重量上，每個(gè)助推器的起飛重量為155噸，比芯一級(jí)的175噸僅少了20噸，但每個(gè)助推器所提供的推力卻高達(dá)2400kN，比芯一級(jí)1020kN的推力高了一倍多。
在長(zhǎng)征五號(hào)約10600kN的總起飛推力中，四個(gè)助推器提供的推力占到了90%以上，胖胖的芯級(jí)只提供了10%的推力。
性能的差別來源于芯級(jí)和助推器使用了不同的發(fā)動(dòng)機(jī)。
每個(gè)助推器安裝了兩臺(tái)YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)，使用液氧-煤油作為燃料，長(zhǎng)征七號(hào)的芯級(jí)和助推器就全部使用了這種發(fā)動(dòng)機(jī)(參見百度知道日?qǐng)?bào)文章《新長(zhǎng)征，新征途：長(zhǎng)征七號(hào)火箭，你了解多少?》)。
而長(zhǎng)征五號(hào)的芯級(jí)則使用的是兩臺(tái)YF-77型發(fā)動(dòng)機(jī)，以液氧-液氫為燃料。
相對(duì)于上一代長(zhǎng)征火箭使用的偏二甲肼-四氧化二氮發(fā)動(dòng)機(jī)，這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)均是具備諸多優(yōu)點(diǎn)的新一代發(fā)動(dòng)機(jī)。
對(duì)比兩種新型發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料，液氫的密度不到煤油密度的十分之一。
同樣重量的燃料，液氫要占據(jù)更大的空間。
為人熟知的航天飛機(jī)在發(fā)射時(shí)，體積最大棕色外貯箱，就是為了給航天飛機(jī)本身的液氧-液氫發(fā)動(dòng)機(jī)提供燃料的。
外貯箱的大部分體積，被低密度的液氫所占據(jù)。
長(zhǎng)征五號(hào)應(yīng)該是基于同樣的原因，才需要大體積的芯級(jí)來容納低密度的液氫燃料。
如果我們簡(jiǎn)單的用助推器和芯一級(jí)的重量除以其體積計(jì)算平均密度的話，會(huì)發(fā)助推器的平均密度比芯一級(jí)的平均密度高出一倍多。
可以說，“胖五”是個(gè)虛胖的胖子。
那么，火箭設(shè)計(jì)師們?yōu)楹午娗橛谝貉?液氫發(fā)動(dòng)機(jī)呢?這是因?yàn)椋@種發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖是目前液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中最高的一種。
比沖，是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)單位重量推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量。
發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖越高，代表發(fā)動(dòng)機(jī)的效率越高，燃燒同樣質(zhì)量的燃料可以提供更多的推力。
在火箭設(shè)計(jì)上，一般要求在飛行階段越靠后的的部分，比沖越高，而飛行階段越靠前的部分，推力越高。
長(zhǎng)征五號(hào)的助推器可以在起飛時(shí)提較大的推力，而芯一級(jí)的液氧-液氫發(fā)動(dòng)機(jī)可以在助推器停止工作、和火箭分離后，提供比較大的比沖。
歷史上推力最大的土星五號(hào)火箭，在一級(jí)采用了大推力的液氧-煤油發(fā)動(dòng)機(jī)，二級(jí)采用了高比沖的液氧-液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，遵循的也是同樣的思路。
但不得不承認(rèn)的是，雖然長(zhǎng)征五號(hào)整體性能優(yōu)越，但發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)水平相對(duì)美俄來講仍然落后。
以美國(guó)的Delta-4重載型火箭為例，其使用了和航天飛機(jī)一樣的RS-68型液氫-液氧發(fā)動(dòng)機(jī)，單臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)推力高達(dá)2900kN，是我國(guó)YF-77發(fā)動(dòng)機(jī)的4倍多。
Delta-4重型火箭僅適用了3臺(tái)RS-68發(fā)動(dòng)機(jī)就能提供足夠的動(dòng)力，而長(zhǎng)征五號(hào)則要使用兩種共10臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)。
正視差距才能奮起直追。
目前，航天部門正在緊鑼密鼓的進(jìn)行推力為6600kN的大推力液氧-煤油發(fā)動(dòng)機(jī)和推力為2000kN的大推力液氧-液氫發(fā)動(dòng)機(jī)的研發(fā)工作。
預(yù)計(jì)在2030年，裝備這兩種發(fā)動(dòng)機(jī)的長(zhǎng)征九號(hào)巨型火箭上將首次發(fā)射，助力我國(guó)載人登月、探索火星、飛出太陽系的壯舉。