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人类第二强在役运载火箭的诞生、奋进与未来

发表时间:2020-08-31 23:25:00  来源:野望文存  浏览:次   【】【】【

Timeless Nouri - Ma Mounia

小火箭出品 必属精品
本文作者:邢强

本文共12318字,102图。
预计阅读时间:1小时10分钟

本文是小火箭经典洲际弹道导弹与运载火箭系列洲际弹道导弹与运载火箭技术分析系列报告的第7季的第3篇。

和本系列并行的,还有一个经典洲际弹道导弹与运载火箭系列,已进行到第2季。

就是这样,小火箭尝试以较为核心的技术发展脉络为经,以具体的经典的型号为纬,努力构建一个面向当前和未来的火箭与导弹工程师的属于全体小火箭支持者的技术架构

如今,自小火箭在2008年成立以来,在2015年在互联网平台公开以来,在大家的帮助下,已经走过12年的时间。

近期的经线系列(2019年夏季的弹射发射专题《》),涉及到多个型号(有关弹射和非弹射的10+个型号,有北极星A1、北极星A3、海神潜射弹道导弹、民兵陆基洲际弹道导弹、布拉瓦潜射弹道导弹、三叉戟I型、三叉戟II型潜射洲际弹道导弹、赛果弹道导弹、呼啸号运载火箭、和平卫士洲际弹道导弹、SS-18撒旦洲际弹道导弹、第聂伯运载火箭),针对弹射发射技术,试着去追溯到该技术的缘起,并尽力理清弹射发射技术的脉络。

对于栅格翼技术的探讨,也可归为该系列,详见小火箭的公号报告《》。

本文是纬线系列,专注于一个型号,来详述其起源发展并试着去判断其未来。

上一次讲述的型号,是安塔瑞斯运载火箭《》于2020年2月发布。

这一次,咱们好好聊一下德尔塔IV重型运载火箭。


发轫

德尔塔系列运载火箭,是人类迭代速度最快、型号最多的运载火箭家族。

自公元1960年首次发射以来,到上世纪80年代美国独尊航天飞机那“失去的十年”,每年都有新的改进型号出现,在美国大量补贴航天飞机导致一次性使用的三大运载火箭系列(宇宙神、大力神、雷神-德尔塔)都到了濒临停产边缘的时候,德尔塔已经拥有了23个型号,自研或合作研制了27款火箭发动机。

在《》这份报告中,咱们已经比较深入地了解了人类航天发展的历程。

德尔塔系列运载火箭,可谓是见证和亲自参与了大部分发展史。

本文暂且不聊德尔塔火箭的发展(否则开篇10万字也不够的),而是从德尔塔IV重型运载火箭讲起吧!

航天飞机的发展始终伴随着鲜花与掌声,但是,背后实际上是美国巨大的财政补贴。

2011年7月8日,航天飞机全面退役。

小火箭觉得,如今我们可以盖棺定论,看看整个航天飞机项目花了多少钱,对人类航天史的影响又如何了。

全部换算成2020年的美元价格来算的话,航天飞机项目总共花费了2295亿美元

这是什么概念呢?

到第二次世界大战结束的时候,有个总审计,统计了为了制造1颗试验性原子弹和2枚投放到日本的原子弹的曼哈顿计划总共花了多少钱。

当时的结论是:20亿美元。

小火箭按美国这些年的通货膨胀率换算成2020年的美元,相当于275亿美元。

再来说说阿波罗计划吧!

上世纪60年代,为了登上月球而研制起飞重量与一艘轻巡洋舰相当(3039吨)的土星5号火箭时,美国耗资甚巨。

以1966年为例,当年美国宇航局得到的专项拨款额为45亿美元,为美国当年GDP(8150亿美元)的0.55%。2016年,美国GDP为18.57 万亿美元,按这个比例来算的话,相当于为了一款火箭,一年要拿出1025亿美元。

换算成人民币,相当于为了研制土星5号运载火箭,国家每年要从财政收入中拿出6565亿元人民币

整个阿波罗计划,包括土星1号、土星5号火箭的研制和发射,再加上人员培训和基础设施建设等,总共花费为:将近255亿美元

换算成2020年的美元,为1618亿美元。

好了,航天飞机项目的总花费为2295亿美元,曼哈顿计划的总花费为275亿美元,阿波罗计划的总花费为1618亿美元。

发现了什么?

航天飞机的总花费比造原子弹的曼哈顿计划与载人登月的阿波罗计划的总和还要多出402亿美元

公元1914年8月15日,巴拿马运河开凿完成。这条横穿巴拿马地峡,总长82公里的运河连接了太平洋和大西洋,建成之后就成为了人类重要的航运要道。

上图为在1944年年底正在穿越巴拿马运河的密苏里号战列舰。(小火箭注:船闸宽33.5米,密苏里战列舰宽33米。)随后,她参加了硫磺岛战役和冲绳战役。

1945年9月2日上午9时许,密苏里号停泊在东京湾,举行受降仪式。

巴拿马运河,这条总花费远远高于预算的运河,在后来的运营过程中证明了自己的价值。按当时的统计,运河总花费为3.52亿美元。

换算成2020年的美元,相当于88.24亿美元


于是,当以后大家再次讨论起航天飞机的总花费的时候,或许可以用到小火箭这样的结论:

航天飞机的花费,可以用来再启动一次曼哈顿计划,造出3枚原子弹;然后再重启阿波罗计划,把12名宇航员送上月球再带回来。剩下的钱,再开凿4条巴拿马运河还绰绰有余

考虑到航天飞机总共135次的发射数量,平摊到每一次发射中的成本为17亿美元

这个成本是很惊人的。这也就使得很多人对可重复使用运载技术形成了偏见,认定这样的运载器实际上耗资巨大,得不偿失。

从客观上,影响了很多人对发展可重复使用运载火箭的决心。

1991年,航天飞机机队又扩充了(最后一次扩充)。

崭新的奋进号为机队的第5架,同时也是最后一架航天飞机,取代了爆炸的挑战者号,成为航天飞机机队的新力量。

这对于热爱航天飞机的人来说,是个好事情。

但是也就是在这一年,研制更加经济实惠的航天载具的研讨会议开始接连举行。

当时世界上手握火箭型号最多的麦克唐纳·道格拉斯公司把任务接了。

麦道是当时运载火箭和洲际弹道导弹研发巨头企业。

该巨头还研制了不少战斗机,比如大名鼎鼎的F-15。

麦道在航空领域的成功以及上世纪80年代麦道客机与中国的接触,使得很多人误以为麦道仅仅是航空巨头,而忘记了其在航天领域的成就。

人类最大的运载火箭土星5号的第三级,就是由道格拉斯公司研制的。

土星5号运载火箭串起了美国航空航天产业三巨头:

第一级由波音研制,

第二级由北美航空研制,

第三级由道格拉斯公司研制。

确实是举全国之力了。

在上世纪90年代中期,麦道的工程师指出了航天飞机昂贵的一大原因:发动机太贵了。

虽然能够可部分重复使用,但是航天飞机的液氢液氧火箭发动机还是太贵了。

航天飞机的主发动机RS-25,是洛克达因公司的呕心沥血之作。

美国的煤油品质太差,含硫量太高,导致其燃烧室压力始终上不来。这个问题直到上世纪90年代中期,一些苏联工程师亲自来指导,才道出了巴库油田的高品质煤油的奥秘。这段历史,小火箭在2015年和2016年首次把相关技术标准公开后,多有提及,目前已经成为了大家比较喜欢谈及的梗了。

上世纪70年代,在对液氧煤油火箭发动机的燃烧室压力的7.5MPa技术标准限制得不行的情况下,洛克达因公司的工程师们,决心不搞煤油机了,要搞就搞液氢液氧机。

向死而生。

液氢液氧发动机是很难做成的。

双低温燃料组合、液氢的桀骜不驯的天性《》,一切都是那么新鲜和富有挑战。

洛克达因公司很拼。1981年4月12日,航天飞机首次发射就进行了载人飞行,体现了大家对RS-25发动机可靠性的信任。

4.3米长,2.4米的直径,3.527吨的空重,却能产生189.67吨海平面推力,232.39吨真空推力。

上图的银色鼓状结构内,是从低压燃料涡轮泵向高压燃料涡轮泵输送的管路棕色管路;黑色为预燃室。

和小火箭这些年来一起聊过发动机设计的好友们一定还记得,涡轮前温度和燃烧室压力是提升发动机效率的较为明显的技术路径。

洛克达因公司的工程师们在解决了液氢液氧发动机的一系列关键技术问题之后,开始放飞自我,再也不用去理会煤油机的7.5MPa技术规范的限制。

他们把RS-25发动机的燃烧室压力提升到了20.6MPa,也就是203.3个大气压

这个压力,相当于水面以下2100米的深度,同时也相当于人类目前常用的核电站压水堆内回路压力的1.3倍!

RS-25发动机的燃烧室温度,达到了3300℃!

要知道,铁的熔点为1538℃,铁的沸点2862℃

也就是说,钢铁不仅仅会在这样的燃烧室内融化,还会沸腾!

航天飞机的RS-25主发动机,迄今为止,依然是人类研制出来并得到实际工程应用的最大的分级燃烧高压补燃液氢液氧火箭发动机。

当然,老话说得好:或许,一切美好事物的背后,都有一个被悄悄标注上的价格。

不过,也有例外,比如本文就依然是可以从头读到尾的好文章[捂脸]。

RS-25火箭发动机实现了量产。

但即使是量产型号,其单台成本,也是5000万美元

在上世纪90年代中期,道格拉斯公司的工程师们直到单台RS-25火箭发动机的报价之后,都是咋舌的。

这个可以在当年的会议纪要中,打印签字版的有关报价那一句的后面被画上了巨大的圆圈,另有两个大叹号可以看出来。

这个5000万美元一台的发动机,是个什么概念呢?

答:道格拉斯公司从1959年开始拿着初代版本的德尔塔运载火箭来参与人类的商用和军用运载火箭的发射竞标。

一路以来,可谓是风生水起。

道格拉斯公司的德尔塔初代运载火箭,在1960年5月完成首发,到1962年9月实现第12次发射。

这款成功率为91.67%的运载火箭,所有的研发成本和12枚火箭的制造成本再加上12次发射的发射费用再加上保险费用和其他安保测控费用,总共是4297万美元。

12枚初代德尔塔火箭的所有花费,居然不如一台RS-25发动机贵。

当然,如果说初代德尔塔太小的话,咱们拿最为有名的德尔塔II家族来比较吧。

德尔塔II系列运载火箭,39米高,芯级直径2.44米,起飞质量为200吨量级。

这款把凤凰号、火星奥德赛等探测器送入火星轨道,把信使号探测器送到水星旁边的火箭,在上世纪80年代,整箭发射报价,为5000万美元(顶配)和4000万美元(不带深空上面级)。

也就是说,一台RS-25发动机,从报价上来说,可以换一枚德尔塔II运载火箭。

这6台RS-25火箭发动机,加起来就是3亿美元。

上世纪90年代,麦道和洛克达因商议,应该想办法把单台发动机的成本降下来,才能够适应市场和军方的需求。

大家的解决方案是,先分析发动机为什么这么贵,然后再寻找解决方案。

RS-25航天飞机主发动机,为了追求极致的性能,采用了双预燃室的设计。

发动机点火后,液氢预压泵给液氢施加预先压力,然后进入主泵进行二次加压。

加压后的液氢,流入发动机喷管对其进行冷却,同时也对自己实施了预热。

(这个技术,在人类运载火箭和弹道导弹的鼻祖V-2上就有所应用了,详见小火箭的公号报告《》。)

此时,液氢气化为高压氢气。

这些氢气兵分两路,大部分进入两个预燃室,较少的一部分氢气回头再去冷却一下燃烧室,同时本身成为压力和温度更高的气体,来推动氢预压泵。

这少部分的高压氢气随后也进入预燃室,与大部队会合,完成部分膨胀循环。

液氧同样先经过预压泵,然后到主液氧泵进行二次加压。

加压后的液氧,兵分三路:一路直接奔向主燃烧室,这个流量是最大的;

第二路去驱动液氧预压泵的涡轮,然后回头汇入主液氧泵;

第三路穿过高压氧泵,从主轴内通过后,分两路进入两个预燃室。

二路氢气分队和三路氧气二分队在预燃室相遇,成为富燃气体环境,被点燃后,产生强大的力量来推动主氧泵和主氢泵。

完成推动任务后剩余的氢气和氧气也被注入到主燃烧室,一点也没浪费,从而完成整体分级高压补燃循环燃烧。

在上世纪90年代,洛克达因公司的工程师有信心研制出相较于RS-25发动机减少20%的零部件的发动机。

但是,这个依然难以满足麦道的工程师提出了降低50%的成本的要求。

后来,大家一致决定,推翻以往的涡轮泵设计,重来一遍。

由此,RS-68液氢液氧火箭发动机诞生。

RS-68火箭发动机的设计指导思想就是:

充分利用已有的航天飞机主发动机RS-25液氢液氧发动机的技术,同时重新设计氢涡轮泵和氧涡轮泵,全面升级加工工艺,做到极致的简化,不惜以牺牲性能为代价来大幅降低发动机的制造成本

上上图为昂贵的航天飞机RS-25主发动机,上图为简洁的RS-68系列火箭发动机。

RS-68发动机的推力是RS-25的1.5倍,是人类最大的液氢液氧火箭发动机。

不过,从技术复杂度和加工工艺的角度来看,RS-68可以说比RS-25简单直接多了。

航天飞机的主发动机RS-25的氢涡轮泵由200个零件组成,而RS-68的氢涡轮泵只有40个零件,没有之前那些用于精细操作的阀门,而是通过大量试验预先摸出最优曲线,然后用简单的机械装置在发动机控制计算机的操作下完成控制。

上图为航天飞机主发动机RS-25的控制系统电路盒。这是典型的上世纪70年代风格。

到了上世纪90年代,大规模集成电路的出现,使得控制系统变得更加轻巧了。

RS-25的氧涡轮泵由170个零件组成,而RS-68的氧涡轮泵只有25个零件。

氢涡轮泵,RS-68的零件数是RS-25的五分之一;

氧涡轮泵,RS-68的零件数是RS-25的七分之一。

借助超级复杂的控制系统和管路阀门的配合,航天飞机主发动机RS-25的推力可以在67%到109%之间连续可调;

而RS-68只用了非常简单的单曲线调节方式,但因为有现代控制算法的支持,可以做到55%到106%之间推力连续可调,调节深度反而超过了复杂的RS-25。


总体来说,RS-68发动机的推力是RS-25的1.5倍,但是重量差不多是其2倍了。

真空比冲比起前辈,损失了10%,但是价格则只有前辈的不到三分之一。

RS-68发动机的单台价格只有1400万美元,只有RS-25的28%。

这个价格,真的是让波音的工程师们开心坏了。

咦?怎么这里出现了波音的工程师?

答:在1997年8月,麦道被波音收购。

从此,土星5号载人登月火箭的第一级研发团队和第三级研发团队完成会师。

波音公司也就在1997年全面接收了麦道的整个德尔塔运载火箭家族。

德尔塔IV运载火箭的核心研发项目,RS-68发动机,也就成了波音与洛克达因老团队的合作项目。

在供应链管理团队的深度介入下,RS-68发动机的总零件数量,比RS-25减少了80%。

生产一台RS-68发动机的总工时,仅为RS-25的8%

同样位于加利福尼亚州的洛克达因RS-68火箭发动机的研制团队,在波音收购了麦道之后,成为了波音加利福尼亚工厂的常客。


上图为RS-68液氢液氧火箭发动机在地面试车台上进行点火试车的场景。

2002年11月20日,以一台RS-68火箭发动机为芯级唯一动力,然后捆绑上两个固体助推器的德尔塔IV运载火箭首次发射。

德尔塔IV的发射报价只有1.63亿美元,不到航天飞机实际成本的十分之一。

不过,德尔塔IV基础版本的近地轨道运载能力只有11.47吨;而航天飞机的近地轨道运载能力为27.5吨(204公里轨道高度),在国际空间站400公里轨道高度要求下,航天飞机近地轨道运载能力为16.05吨。

由此看来,RS-68发动机的研制和德尔塔IV火箭的诞生,是有相当大的意义的。

德尔塔IV运载火箭的出现,让单位质量的发射成本相较于航天飞机的时代,下降到了之前的四分之一的水平。

军方和国侦局立刻就对德尔塔IV运载火箭产生了浓厚的兴趣。

2002年年底,就在德尔塔IV运载火箭首次发射成功之后不到一个月的时间里,国侦局的人找到了波音德尔塔IV团队,要求他们提升运力。

因为国侦局的载荷,需要运载火箭具备20吨以上的近地轨道运载能力。

并联

如何把德尔塔IV的11.74吨的近地轨道运载能力加倍呢?

答:芯级并联。

于是,德尔塔IV重型运载火箭诞生了。

德尔塔IV重型火箭,就是把3枚德尔塔IV火箭家族的一级并联起来,然后在中间那个芯级上叠加一个上面级和巨大的整流罩。

重型版本的德尔塔IV在2004年12月21日实现了首次发射。

虽然这次发射出了一些状况,导致卫星打低了,但是芯级并联的概念被证明是可行的。

德尔塔IV重型运载火箭的近地轨道运载能力被判定为22.98吨@407公里,相较于航天飞机的27.5吨@204公里、16.05吨@400公里,有了大幅提升。

德尔塔IV运载火箭在2004年问世的时候,一举成为人类现役最强运载火箭,近地轨道运载能力超出航天飞机43%,达到了土星5号运载火箭五分之一的水平

芯级并联的德尔塔IV运载火箭催生了通用芯级的概念。

之前,相似尺寸的助推器与芯级并联的设计,也是有的,比如大力神IV运载火箭:

上图为大力神IV运载火箭发射卡西尼土星探测器的场景,摄于1997年10月15日。

大力神IV运载火箭,芯一级发动机采用毒发混肼-50(50%的肼与50%的偏二甲肼混合物)+四氧化二氮氧化剂配置,两侧捆绑了两台巨大的固体助推器。

大力神IV运载火箭的固体助推器的推力为15120千牛,芯级单发推力则只有2440千牛,单台助推器的推力是单台芯级发动机的6倍多!

这种配置,让大力神IV运载火箭同样能够达到国侦局要求的20吨以上的近地轨道运载能力(实际为21.68吨)。

大型固体助推器虽然好,但是如果订单不够,无法撑起量产规模的话,单价则会是奇高的。

大力神IV运载火箭发射21.68吨近地轨道载荷,报价为4.32亿美元。

德尔塔IV重型运载火箭发射22.98吨近地轨道载荷,报价为3.50亿美元。

从运载能力和发射报价方面来综合比较,大力神IV火箭的运力比早期版本的德尔塔IV重型火箭还低了5.6%,价格却高出23.4%。

于是,洛克希德·马丁公司做出了决定,在德尔塔IV重型运载火箭于2004年12月21日首次发射成功当天就关闭了大力神IV运载火箭的生产线。

库存的两枚大力神IV运载火箭,分别于2005年4月29日从卡纳维拉尔角空军和2005年10月19日在范登堡空军基地发射。

后来波音和洛克希德·马丁公司在2006年12月,把运载火箭发射业务合并,组建了发射巨头ULA联合发射联盟,垄断了美国军用和政府的大型航天器发射订单之后,德尔塔IV重型运载火箭的发射报价涨到了4.4亿美元,这就是后话啦。


德尔塔IV重型运载火箭能够在20吨+级别的近地轨道运载市场上胜出,关键就是采用了通用芯级的理念。

所谓通用芯级,就是在多款运载火箭上,采用同样的或者改动很小的芯级,在同款运载火箭身上,芯级和助推器也采用几乎一样的配置。

上图为一枚德尔塔IV运载火箭的通用芯级。

该芯级配备一台RS-68液氢液氧火箭发动机,单台海平面推力300.82吨。

2014年12月,就在波音和洛克希德·马丁公司把运载火箭发射业务合并后的8周年纪念活动上,德尔塔IV重型运载火箭的团队答复了原来的竞争对手,大力神IV运载火箭的设计团队的疑问。

20吨+的近地轨道运载能力市场,是专业化程度非常高,利润率很高但规模较小的市场。

而运载火箭的产量,则直接影响着火箭的成本。

同样运力的火箭,产量越大,越能够摊平研发成本。

同时,足够大的产量,也能够支撑起自动化生产设备和现代化厂房的构建,进一步降低生产加工成本

德尔塔IV重型火箭,其运力超过22.98吨,但是其大部分的零部件都和中型火箭是通用的。

购买1枚德尔塔IV重型火箭,实际上就同时购买了3枚通用芯级。

而这样的通用芯级,同样在德尔塔IV中型运载火箭的产线上生产,并不是重型专属零部件。


到2014年12月,德尔塔IV火箭的通用芯级,共生产了50枚。

对于运载火箭行业来说,这是不小的批产产量了。

这50枚通用芯级,有44枚已经得到了使用,其中24枚芯级用在了德尔塔IV重型运载火箭的8次发射上,另有20枚用在了德尔塔IV中型运载火箭的20次发射上

除了通用芯级进行并联这个设计特色之外,小火箭还将给出德尔塔IV重型运载火箭的三个特点:

橙色

无论是德尔塔IV的重型版本还是中型版本,其亮橙色的贮箱已经成为了她的标志性色彩。

这个橙色是怎么来的呢?

要知道,雷神-德尔塔运载火箭家族之前也是比较崇尚白色的。

这是一切德尔塔系列运载火箭的始祖,初代版早期型号德尔塔火箭,通体洁白。

她的370公里圆轨道运载能力为271.81公斤

别看只有50.8吨的起飞质量,这个28.06米高的德尔塔初代运载火箭,是具备地球同步转移轨道的运载能力的,具体数据应该为43.3公斤

在1973年,德尔塔2914构型的运载火箭能够把724公斤的载荷送入地球同步转移轨道,且只收取571万美元的费用(17万美元管理费 + 170万美元技术服务费用 + 384万美元的裸箭硬件报价)。

30次发射29次成功,成功率96.7%的德尔塔2914运载火箭成为了商业火箭之王。

而她的天青色 + 白色 的配色则奠定了人们对德尔塔系列运载火箭的印象。


后来,德尔塔II系列运载火箭登场。

其实,在德尔塔IV系列运载火箭在研制的过程中,设计师还是想要沿用德尔塔火箭自II系列家族以来已经在全世界打响名号的天青色配色的。


但是,为什么德尔塔IV系列运载火箭还是用了亮橙色与白色的配色呢?

答:这是因为这是运载火箭低温贮箱外的保温泡沫材料的本色,根本没有上漆。

还记得咱们前文说到,RS-68火箭发动机的研制,要充分借鉴航天飞机的RS-25发动机的已有经验么?

实际上,在德尔塔IV重型运载火箭的箭体设计方面,设计师同样借鉴了航天飞机的经验。

公元1981年4月12日,哥伦比亚号航天飞机执行航天飞机机队的首次发射的时候,其液氢液氧大罐子,是白色的。

这是白色的防辐射保温涂层,能够有效反射阳光的辐照,改善液氢液氧双低温液体的贮存环境。

但是,后来工程师想要进一步挖掘航天飞机的运载能力潜力。

而大罐子上面涂的白漆,虽然是薄薄一层,但因为大罐子尺寸太大(直径8.41米,高47.1米),导致这一层漆壳的重量足足有272公斤

后来的航天飞机,就不再涂这一层白漆了。由于航天飞机是一级半入轨,大罐子要陪着航天飞机进入到高空的,因此这的确增加了不少运力。

上图为发现号航天飞机即将入轨时,抛掉的橙色大罐子,摄于上世纪80年底末。

没有涂白漆的航天飞机液氢液氧外挂储罐的本色,就是亮橙色。

这个橙色,是一种泡沫材料。

低密度全闭孔聚氨酯泡沫材料能够在100%的高湿度环境和46℃的高温环境中,可靠承受180天以上的曝晒,对风沙、盐雾、暴雨和真菌都有相当强的抗性。

航天飞机的亮橙色泡沫材料,总重量为2.19吨。

这一层2.5厘米厚的材料确保了航天飞机贮箱的安全。

当然,对于咱们太空工程师来说,努力减重的脚步是不会停下的。

后来,航天飞机在第6次飞行任务的时候,采用了薄壳金属贮箱,减重4.71吨。再后来,航天飞机拿掉了一些液氢贮箱的构建,进一步减重。

到了1998年,2195铝锂合金的大规模工程化应用成为了可能。航天飞机第91次任务用2195铝锂合金代替了原来的2219铝锂合金,在强度增加了40%的前提下,减重3.4吨。

有关铝锂合金的发展,详见小火箭的公号报告《》。

德尔塔IV重型运载火箭,同样采用了不涂白漆的素颜配色。

亮橙色是泡沫材料的本色。

德尔塔IV重型运载火箭的通用芯级,上部为液氧贮箱,容积为151.1立方米(重172.75吨)。

不过,她用的液氧是普通液氧,不是过冷液氧。

有关过冷液氧技术,详见小火箭的公号报告《》。

德尔塔IV重型运载火箭通用芯级的侧面有一条突出的管路,这就是上部的液氧贮箱向底部的RS-68火箭发动机输送液氧的管路。

通用芯级的下部为巨大的液氢贮箱,容积为416立方米(重29.5吨)。

通用芯级的上部,液氧贮箱段,长度为9.42米;下部为液氢贮箱段,长度为26.31米。

德尔塔IV重型运载火箭的通用芯级中,各有一台RS-68液氢液氧火箭发动机。

该发动机的最大功率超过1700万马力,也就是170个阿童木。

》中给出了功率对照模型。

从功率的角度来说,1台RS-68火箭发动机的功率,相当于11个胡佛水坝总发电功率之和。


下次咱们再看到德尔塔IV重型运载火箭的火焰,或许能够脱口而出:33个胡佛水坝在怒吼。

火球

德尔塔IV重型运载火箭的另外一大特点,就是发射前的火球了吧。

这是与同样采用液氢液氧动力的航天飞机非常不同的。

》一文中指出,液氢是非常难以驾驭的。

航天飞机为了防止液氢排出之后,变成的氢气引发爆炸,从而在发射台上专门设计了提前点燃氢气的电火花设备:

这就是航天飞机点火起飞之前,奋力工作的发射台电火花设备。

这些电火花引燃了释放出来的少量氢气,确保了载人飞行的安全。

夜晚发射的德尔塔IV重型运载火箭,火球更加醒目。

德尔塔IV运载火箭为了大幅降低成本,就没有采用那么多的手段。

整个点火过程,直截了当:

点火5秒前,液氢贮箱通往RS-68火箭发动机的阀门打开。

大量液氢从管路顺势而下,一路冲到涡轮泵。

涡轮起转后,这些氢不再像航天飞机那样通过回头的管路收集回去,而是直接从火箭发动机的喷口泄放到了发射台的地面。

按小火箭在2016年给出的算例:我国气象学规定12小时降水量为30毫米的降雨称为暴雨。暴雨过后,地面上会出现大量积水。而如果天上降的是液氢雨的话,地面上将不会留下一点液氢的痕迹。

液氢的汽化速度是43毫米/分钟,也就是说,我们把液氢暴雨的“降水量”增大1031倍后,地面上仍然不会留下液氢“水洼”。

然后,德尔塔IV火箭不会对此有任何顾忌,直截了当地就点火啦!

RS-68火箭发动机的启动同时也就引燃了泄放出来的氢气,于是,一团火焰就包裹住了德尔塔IV火箭。

此时火箭的推力尚不足以托起自身,德尔塔IV火箭要在火球中沐浴6秒钟才终究实现起飞。

虽然发射场还是用了电火花来试图提前烧掉一些氢气,但是大火球还是不可避免地出现啦!

这种浴火重生的感觉,是德尔塔IV重型火箭给大家带来的礼物。

于是上图这种发射的场景,就是德尔塔IV火箭的标配了。

这个让人开始弄不清:到底是要成功发射了,还是要原地爆炸了。

早期的德尔塔IV重型运载火箭的三台发动机是同时泄放液氢,并且同时点火的。

当风向和风力合适的时候,火球包裹箭体会超过10秒种,把亮橙色的箭体烤成炭黑色。

实际上,采用同样的通用芯级的德尔塔IV中型运载火箭,同样有浴火重生的场面。

只不过,中型德尔塔IV火箭的液氢泄放量只有重型的三分之一,并且火箭爬升较快,因此炙烤效应不明显。

而德尔塔IV重型运载火箭,起飞之后,即使是离得很远,也能够看到被烤得焦黑的痕迹。

这种烤肉型的发射方式,对安全性真的没有什么影响么?

答:目前还没看出会出什么乱子,而且近几天还出现了一次发射前3秒主动关机的情况,火箭反应迅速,状态良好。

不过,因为这个大火球,大家对于用德尔塔IV重型运载火箭实施载人发射,还是有点顾忌的。

近期只是让她对无人的猎户座飞船进行了高弹道飞行测试。

后来,应对火球的情况,大家想了个法子来改进了一下:

3台发动机,以100毫秒的间隔,渐次点火。

最右侧的那台RS-68发动机先点火,然后是中间那台,最后是最左侧那一台。

这样的话,氢的泄放就有一个从右到左的趋势,火焰也就先从右侧燃起。

Heaven Is A Place On Earth Belinda Carlisle - 80s Ballads


右侧火焰先燃气,这就使得德尔塔IV重型运载火箭右侧的空气更热,从而在自身周围营造出了一个瞬时的风场。

这个风场可以尽快把火球吹向一侧,从而减少火箭整体处于火球中的时间。

这个思路,就是火箭虽然跑不快,但是可以把火吹到一边去。

改进后的效果,还是挺明显的,烤黑的面积少了。

而且被炙烤的程度也浅了很多。

放一张早期版本的3发同时点火型德尔塔IV重型运载火箭来做对照。

上图这德尔塔,液氢贮箱的位置基本上全烤黑了。

为了防止顺次点火的模式给火箭带来附加的偏航力矩,德尔塔IV运载火箭需要采用特殊的地面设备的辅助,以便让2台捆绑的助推器推力一致,且达到满推力的时候,才进行放飞。

说起火球,小火箭再提一下德尔塔IV运载火箭通用芯级的另外的有趣之处:

明明是液氢液氧配置,但是点起来的火焰之浓郁,却不输液氧煤油。

这是什么情况呢?

答:这是因为德尔塔IV的RS-68火箭发动机没有采用航天飞机主发动机RS-25那样的液氢冷却喷管设计,而是用了烧蚀材料来简单粗暴直截了当地解决问题。

(哈!这回知道RS-68发动机的推力是RS-25的1.5倍,而生产一台的总工时只有RS-25的8%的原因了吧!)

这火焰的黄色成分,就是烧蚀材料赋予的。

(冷却啥呀冷却,一次性使用的火箭就该有一次性的样子,能用就行,火焰美不美,就看摄影师后期给加不加滤镜了。)


为了对照,小火箭给出航天飞机的RS-25液氢液氧发动机的尾焰情况。

上图可见,3台主发动机的火焰,几乎就是透明的了。

与粗壮的固体助推器的尾焰相比,航天飞机的主发动机RS-25的尾焰轻盈很多。

昂贵

虽然德尔塔IV重型火箭之诞生,就是为了能够以更低的发射报价实现20吨以上的近地轨道运载能力。

而且,相较于航天飞机来说,她也真的做到了。

更强的运力和五分之一的报价,让其成为了21世纪第一个十年中的佼佼者。

但是,可重复使用技术的出现,使得20吨级的近地轨道运载能力的报价,从德尔塔IV重型的3亿美元量级一举降低到了5000万美元量级。

猎鹰9号运载火箭从FT版本开始,其光杆型的近地轨道运载能力就已经突破了22吨。

到了Block V版本,其近地轨道运载能力提升的同时,其可靠性指标也达到了载人飞行的条件,如今已成功进行了一次载人发射。


而后来同样采用芯级并联技术的重型猎鹰运载火箭,其近地轨道运载能力超过了60吨,从德尔塔IV重型运载火箭手里接过了世界现役最强的桂冠。

德尔塔IV重型运载火箭的贵,是相对的,相较于航天飞机来说,她已经非常经济实惠了。

当年,德尔塔IV重型运载火箭为了节省运输费用,既没有采用航天飞机那样的空运方案,也没有大规模使用陆地运输,而是用了船舶。

当然,后来这个船还是出了一些状况的。

上图是德尔塔IV运载火箭通用芯级运输船于2012年1月26日撞上横跨肯塔基湖的桥梁后的场景。

一大段铁桥被顶在了船头。

不过总体来说,德尔塔IV重型运载火箭的运输通常还是比较顺利的。

一次可以把全部3枚通用芯级运到。

上图为在卡纳维拉尔角发射中心的港口卸货的场景。

由迪凯特工厂生产的通用芯级,有两种运输路线:

第一,从田纳西河顺流而下,转而穿莫比尔湾进入墨西哥湾,全程891公里;

第二,从田纳西往俄亥俄方向走,顺密西西比河一路向南,进入墨西哥湾,全程1600公里。

由新的联合发射联盟工厂生产的通用芯级,根据发射场的不同,可以航行3400公里绕过佛罗里达州,抵达卡纳维拉尔角发射场;也可以穿巴拿马运河,航行3个星期,到达范登堡空军基地,行程8000公里。

有趣的是,这艘通用芯级运输舰还曾停靠在梅克岛上。

这个岛是反导基地。

早些年的反导试验的拦截弹,大多是在该岛发射的。

比如上图这种起飞重量为3.5吨,点火后在5秒种内就能达到10马赫飞行速度的自带核弹头的反导拦截弹。


结束语

本文,小火箭和大家一起畅聊了德尔塔IV运载火箭的RS-68火箭发动机的诞生和德尔塔IV重型运载火箭的发展。

讲述了其亮橙色的由来和在巨大的火球中浴火重生式的发射方式以及其运载能力与发射报价。

德尔塔IV中型运载火箭已经退役。

德尔塔IV重型运载火箭则在可预见的将来,还有五次发射。

最近的一次是今年(2020年)9月5日在卡纳维拉尔角的发射。

如果一切顺利,那么在10月份,还将有一次在范登堡空军基地的发射。

再往后,就是2022年、2023年和2024年每年一次的发射了。

德尔塔IV重型运载火箭以芯级并联和通用芯级的理念和直截了当的火箭发动机的设计思路,引领了一个时代,也身居人类最强运载火箭的位置十几年。

后来,因为可重复使用运载火箭技术的出现,而在发射成本方面,让位于新的时代。

看那璀璨星空,众星之光芒,要历经万年才能到达地球,也许在光芒来临的时候,它们本身已经消亡了,但历史总会照进我们的生活。    《超人前传》

国内的商业航天企业,蓝箭航天的朱雀-2B运载火箭,同样采用了芯级并联技术和通用芯级设计理念,而且正在探究运载火箭的可重复使用技术。

相信在不远的将来,芯级并联技术与可重复使用技术能够在中国商业航天产业中的同一个型号上得到同时使用。

拭目以待!

德尔塔IV重型运载火箭发射全过程珍贵视频影像↑


全文结束,感谢大家!



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责任编辑:蔡学森