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从韩国“世界号”火箭失利,探讨航天发动机失事的可能原因

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导读:10月21日韩国因发射自研火箭“世界号”而成为世界关注的焦点,这个耗费韩国十几年心血,被专家评为超过中国长征一号的火箭,却很不争气地发射失败了。
“世界”号全箭长约46.5米,能将2.6吨载荷送入300公里高的近地轨道,以及可以将1.5吨载荷送入700公里高的太阳同步轨道。
这枚新火箭的发动机全是韩国国产,其中第一级采用了4台KRE-75型液氧煤油发动机,总推力2942千牛;第二级用了1台KRE-75真空型发动机,推力788千牛;第三级用的是一台小的KRE-007发动机,真空推力68.7千牛。

据韩国空天研究院称,第三级发动机过早关机,导致荷载入轨失败,此时火箭高度为700公里。
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然而,早在2013年11月,韩国未来创造科学部(MSIP)制定了《宇宙开发中长期计划(2014~2040)》,着重强调要通过研发韩国型运载火箭确保自主发射能力,力争获得先进国家水平的太空开发能力。2002年,韩国宇航研究机构(KARI)启动KSLV(Korea Space Launch Vehicle)运载火箭的研制计划,并于2009年发射了首枚KSLV-1“罗老号”(Naro)。
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然而韩国无论是自己的固体火箭发动机还是液体火箭发动机,推力基本都在80~120kN左右,根本无法满足需求,因此韩国KARI与俄罗斯合作,引进了俄罗斯动力机械科研生产联合体(NPO Energomash)的RD-151液氧煤油发动机作为“罗老号”第一级的动力装置。
罗老号”运载火箭曾于2009年8月和2010年6月分别进行第一次和第二次发射,但都以失败告终。
KSLV-1“罗老号”在其2009年8月的首飞过程中由于整流罩分离装置存在结构缺陷和电路设计有问题,导致火箭升空后未能将卫星送入预定轨道。第2次发射中,升空两分钟后与地面失去联系,随后爆炸坠毁,由于事故发生时正是俄方生产的第一级火箭发动机工作阶段,因此韩国专家认为事故是由第一级火箭发动机工作异常引起的。
KSLV-1“罗老号”原本计划在2012年10月进行第三次发射,但在连接火箭第一级和发射台时,发现密封用橡胶圈破损,结果只能将有问题的橡胶圈运回俄罗斯查找破损原因,发射计划取消。2012年11月,“罗老号”再次准备发射,但是在检查过程中又发现第二级固体火箭发动机的电力推力矢量控制系统出现异常,再一次取消了第三次发射。直到2013年1月才发射成功,将100kg有效载荷送入近地轨道,这也是KSLV-1“罗老号”唯一一次成功发射。
众所周知,一枚火箭,甚至一个型号、系列的成功,不仅包括初始发射的成功,包括二级、三级的稳定运行以及转换过程的稳定工作,其中最难的便是上面级发动机的稳定工作。
对于世界号来说,上面级也就是KRE-007,对于两级运载火箭来说,比如长征2号,上面级就是二级发动机。而上面级发动机的稳定工作的内涵又不仅仅是发动机本身,还包括了控制、管路、推进剂、电子等多个组成部分。根据邢强博士所介绍的工程实际案例,大致可分为以下若干方面:


  • 太空微重力环境对液体火箭发动机二次点火带来的影响;
  • 为保证二次点火可靠性而进行的附加操作;
  • 采用低温推进剂的火箭发动机在太空进行点火的吹除问题;
  • 采用低温推进剂的上面级的管路阀门面临的和地面不同的工作环境。


事实上,上述任何一个子方面都需要火箭总体工程师们极大的精力来解决,有些甚至花了十几年才完美的解决。回过头看韩国世界号的入轨失败,很可能就是这几方面的因素导致的。因此上面级发动机提前关机,入轨速度不足,从而坠毁。


下面就以若干具体的原因为例,结合世界航天史上经典的案例进行分析。


由于不清楚该发动机的推进剂参数,本文将对低温推进剂和常温推进剂都纳入考虑范围。


1.沉底技术积累不足


沉底技术是上面级发动机为了避免在太空微重力环境下推进剂产生的气液分离等现象影响二次启动而必须采用的技术,是判断上面级发动机能力的重要指标。
邢强博士认为,运载火箭的上面级在太空微重力环境中滑行,贮箱内的液体处于失重状态,在液体表面张力的作用下,以特有形态分布在箱体内。这种气液相融的状态,非常不利于火箭的再次点火。

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所以,就需要在推力较大的上面级火箭发动机点火之前,率先点燃小推力的火箭发动机,让上面级发动机产生一个轴向加速度。按牛顿第二定律,这个加速度赋予了上面级贮箱内液体的—种模拟重力状态,从而让气液分离,为主发动机的点火创造条件。
这个先用较小推力让贮箱的液体燃料在过载环境中沉到贮箱底部的动作,就叫做沉底,属于推进剂管理系统的—部分。
目前尚不清楚韩国方面使用的是有毒常温推进剂还是低温推进剂。总体而言,常温推进剂对沉底技术控制的灵敏度要求更加宽裕,而对于低温推进剂而言,由于液氢的超低温和超高能量,使得推进剂的管理变得格外困难,需要非常细腻的沉底操作才能顺利实现上面级发动机的二次点火。
以使用常温有毒推进剂的宇宙神3M运载火箭为例,第一级和上面级发动机都采用NTO/UDMH。一二级分离后,第二级点火350秒,然后滑行,然后二次点火再继续工作350秒。在上世纪70年代,苏联的工程师们发现二级发动机点火有时十分顺利,载荷能达到预先的速度,有时则遇到故障,从而点火困难,导致速度不足。
经过十年的研究,火箭工程师们才掌握上面级发动机可靠工作的方法,成为了苏联的大主力运载火箭。可见,上面级发动机是大型运载火箭的瓶颈,只有解决上面级发动机的稳定点火和工作才能顺利入轨。也是在解决了上面级发动机的沉底技术规范后,才造就了宇宙3M的传奇,成功率达到了95.5%。
如果韩国方面采用的是液氧液氢上面级发动机,光采用沉底技术仍很难控制。因为沉底发动机的推力对于桀骜不驯的液氢而言,仍显非常粗暴。液氢的晃动不但没有被抑制反而大幅增加。
以半人马座上面级发动机为例,其最终解决方案是三段式连续推力沉底策略。


2.气泡


使用沉底技术后,推进剂将沉到贮箱底部,但是贮箱的气体容易在点火瞬间跑到涡轮泵,特别是液氧液氢贮箱。而这些气泡并不会因为沉底技术赋予的人工重力而消失。这时如果有比较大的气泡进入涡轮泵或者管路阀门,后果不堪设想。
因此,滑行段开始后沉底发动机点火时间不能低于一定的阈值,才能允许上面级主发动机点火产生推力。
目前我国和美国俄罗斯能控制推进剂中半径超过1毫米的气泡体积总和不超过0.6%。
可见,对于韩国第一次研制该型上面级发动机而言,其气泡处理手段和水平,需要时间的验证和进步。


3.热量控制


数小时的滑行段,如果一直让太阳晒上面级的一侧的话,会给上面级的结构带来挑战,同时也会让贮箱内的液体推进剂内产生温度梯度,带来诸多不确定因素。
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以新款半人马座上面级为例,在5个多小时的滑行过程中,每隔27分钟57秒,姿控发动机就让整个上面级滚转180°,让肚皮后背交替晒太阳,这就健康多了。
韩国改款上面级发动机的热防护设计也是需要考虑的方向之一。结构的破坏也能导致发动机的不正常关机。


4.吹除(液氧液氢)


如果韩国方面采用的是液氢液氧发动机,那么必须特别注意吹除工作,以保证液氢的稳定。实际上,这对于任何一款液氧液氢发动机而言,都是如此。
在自然界中,只有沸点为- 268.9°C的液氦可以和液氢共存。其他的气体遇到冰冷的液氢只能被冻成冰坨。这原本是一种正常的自然现象,气体温度在沸点之下,就会成为液体,在凝固点之下,就会进一步变成固体。但是,在火箭发动机复杂的管路系统中,这个现象会蕴含着非常大的危险。
通常来说,空气中有78%的氮气和21%的氧气,氮气的凝固点为-210°C,氧气的凝固点为-21 8.79°C。在向火箭燃料储箱中加注液氢的时候,如果不提前进行处理的话,空气就会被包裹在沸腾的液氢中,冻成一块块的冰颗粒。
在液氢输送管道中,棱角分明的蓝盈盈的冰坨之间碰撞的能量会很容易引爆整个液氢输送系统。早期研究液氢液氧发动机的美国人在这方面吃了不少苦头。
根据邢强博士的论述,吹除的工作流程为:


在地面上,用氢气把储罐吹―遍,使储罐中充满氢气,这样即使出现冰块,也不至于发生爆炸。然后,用高纯度的氦气把氢气吹走。因为氦气的凝固点是-272.2°℃,比液氢的沸点低了将近20℃,因此氦气是不会在液氢中冻住的。另外,氦气是惰性气体,懒得和氢气发生什么瓜葛,残存的氦气会随着发动机的燃气排出。
为了保证在火箭上升的过程中不会出现液氢吸收空气中的氧气的情况,技术人员会给火箭搭配了装有高压氦气的罐子。在火箭中的液氢燃料进入燃烧室之前,一直会有一股强大的氦气流吹过液氢箱、推进剂输送管道、燃料泵、发动机冷却排气管和燃烧室,保证液氢一路上不会与空气发生接触。


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至此,相信读者已经基本了解上面级发动机不正常工作的主要原因。


在此框架下分析韩国世界号运载火箭,能更加具有针对性与指导意义。
但事实上,要根据发动机数据和残骸来迅速诊断失事原因仍是非常大的挑战,即便此时此刻,距离火箭发射已经过去了若干天,韩国方面的火箭工程师也尚未披露具体原因。
显然,韩国运载火箭所取得的成果值得肯定,在全面国产化的前提下解决了很多工程困难,但在未来还有一段艰难的路要走,比如上面级发动机的二次启动技术的积累,比如发动机性能的提高。
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总之,本文主要结合邢强博士对上面级发动机问题的梳理,结合韩国世界号运载火箭失利,探讨了发动机失事的可能原因。
作者:坚持与努力,仿真秀专栏作者
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理论科普航天航空通用结构基础标准解读
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首次发布时间:2021-11-09
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晓k
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