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长征5号首飞成功:中日火箭谁更强?

11月3日,中国长征五号火箭在海南文昌发射场发射成功,这是中国运载火箭运力首次跨入大型运载火箭的行列。

长征五号火箭是中国运载火箭新技术的集大成者,它的研制成功为未来发展更大更先进的运载火箭锻炼了队伍、积累了技术经验。

中日两国都是航天大国,但在很长一段时间,日本运载火箭的技术水平相对更高。长征五号火箭发射成功之后,中日运载火箭对比会发生改变吗? 

长征5号首飞成功:中日火箭谁更强?

日本运载火箭的先进性

日本于1970年2月11日抢先中国两个月,成功发射了第一颗人造卫星——“大隅”号人造卫星。该卫星仅重9.4千克,而中国的东方红一号卫星重达173千克。当时日本航天专家也承认,日本火箭与中国火箭存在5年的差距。

但在日本引进美国雷神-德尔塔火箭技术之后,日本火箭技术水平开始超过中国。

日本在引进雷神-德尔塔火箭技术的同时,逐步开展国产运载火箭研究,最终研制出国产的H-II型高性能火箭。H-II火箭在商业上并不成功,但对日本运载火箭发展具有里程碑意义。

在H-II火箭的研制过程中,日本开发了先进的百吨级LE-7分级燃烧循环液氧液氢发动机、LE-5A膨胀循环液氧液氢发动机,这在当时火箭发动机中属于高端设计,性能相当出色。日本的LE-7发动机和美国的SSME、LE-5A、RL-10发动机也分别是当时世界上仅有的两种分级燃烧循环氢氧机、膨胀循环氢氧机,堪称火箭发动机高端的G2。

由于H-II火箭成本太高,日本随后研制了H-IIA火箭和H-IIB火箭,前者以H-II火箭为基础改进而来,使用性能稍逊但工艺和设计更可靠的LE-7A和LE-5B液氧液氢发动机,火箭运载系数相当出色。后者在H-IIA的基础上进一步改进,芯级直径增加到5.2米,芯级使用双发LE-7A发动机,可将16.5吨载荷送入国际空间站轨道。

H-IIB火箭是日本最大和最先进的运载火箭,但只用于执行HTV货运飞船的发射任务,而且由于发射费用较高,2020年后将退役。

目前,日本正在研制新一代H-III运载火箭,其延续了日本偏爱创新的传统,火箭发动机设计同样十分惊艳。H-III火箭继承了H-IIB火箭的5.2米直径液氧液氢芯级,将使用新研制的LE-9大推力液氧液氢发动机。这是一种开式膨胀循环液氧液氢发动机,通过开式膨胀循环的独特设计,实现了火箭发动机膨胀循环高可靠性和开式循环大推力的统一,在世界火箭发动机设计上自成一家。

H-III火箭第二级初期使用LE-5B发动机,后期可能改用开式膨胀循环的LE-11发动机,这是一种推力约27吨、真空比冲467秒的液氧液氢发动机,堪称有史以来综合性能最强的上面级发动机。

长征五号的大跨越

中国现役主力运载火箭的发动机仍然基于20世纪60年代技术,无论火箭总体设计如何变化,也无法与使用20世纪90年代火箭发动机技术的日本运载火箭一较高下。

20世纪80年代,中国同样提出了新一代运载火箭的研制计划,不过由于种种原因,直到21世纪初火箭研制才步入正轨。2000年和2001年,120吨级液氧煤油发动机和50吨级液氧液氢发动机先后立项研制,2006年国家批准了长征五号火箭的研制立项。

长征五号火箭是一种“二级半”设计构型的火箭,这与日本的H-IIA和H-IIB火箭相似,更相似的是它们的一子级和二子级不约而同地都使用了液氧液氢发动机,不过长征五号火箭助推器使用高压补燃循环液氧煤油发动机,而日本H-II系列火箭使用的是固体火箭助推器。

长征五号火箭的助推器基于120吨地面推力的YF-100高压补燃循环液氧煤油发动机,具有较高的比冲和总冲。

尽管长征五号火箭的一子级使用的YF-77液氧液氢发动机和二子级的YF-75D液氧液氢发动机的性能,稍逊于H-IIB火箭的LE-7A和LE-5B发动机,但火箭运载系数还是相对较高,体现了长征五号总体设计的成功。

作为中国新一代运载火箭中的大型火箭,长征五号火箭长度56.97米,其中芯级部分直径5米,全部使用液氧液氢发动机,助推器配置为4个3.35米直径的液氧煤油发动机。形象地说,长征五号的助推器就有长征二号火箭那么粗,而芯级横着放就有约两层楼高。

官方资料称,长征五号火箭起飞质量约879吨,起飞推力约1078吨,地球同步转移轨道运载能力约14吨,在运载能力上远高于日本运载能力最高的H-IIB火箭,即使是未来H-III系列火箭中运载能力最大的型号,运载能力也无法媲美我国的长征五号火箭。

长征五号火箭虽然在运载能力和运载系数上实现了对日本运载火箭的超越,但由于我国工业基础尤其是基础的材料和机械等部分落后于日本,长征五号火箭的技术水平和日本现役运载火箭仍有一定的差距,尤其是火箭发动机上差距比较明显。

即使首飞时间比日本H-II火箭晚了20多年,但长征五号火箭的YF-77液氧液氢发动机仍然在推力和比冲两项关键性能上,还是落后于日本的LE-7液氧液氢发动机,长征五号第二级使用的YF-75D发动机在这两项指标上也略逊一筹。

但是,长征五号火箭之后,我国还在研制220吨推力的液氧液氢发动机和25吨级、460秒真空比冲的上面级液氧液氢发动机,这将使中国火箭发动机技术上赶超日本,有助于中国运载火箭技术全面超过日本。

长征5号首飞成功:中日火箭谁更强?

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