长征七号如何优雅上天?| 科学人

本文整理自科学人线上分享会——长征七号如何优雅上天? 2016年6月25日20点01分,长征七号在海南文昌航天发射场点火升空,首发成功。科学人特邀杨宇光,王兆魁两位航天航空方向专家与科学人网友线上分享火箭发射背后的故事。

杨宇光
国际宇航联空间运输委员会委员、中国航天科工二院二部研究员

今天和大家谈论一下有关于运载火箭的话题。运载火箭包括可以将物体送入亚轨道的运载火箭,以及能够将物体送上环绕地球甚至脱离地球引力的运载火箭。

怎样将物体送入轨道?

我们的地球是被稠密的大气层所包围。那么想要进入外层空间,一定要达到第一宇宙速度,这样在外层空间,才能进入环绕地球运行的轨道。 第一宇宙速度,有两个重要的引力参数,一个是地球的引力常数。还有一个重要的参数,地心到空间的某一个点的距离,空间上一个点的环绕速度就等于根号下地球的引力常数除以这一个点的地心距。那么大家可以算一下,如果是在地球表面,这个环绕速度大概是7.9km/s,通常我们的卫星运行轨道,会高于200公里,如果高度太低的话,大气的阻力会使卫星的轨道速度很快地衰减,甚至可能无法形成轨道。如果到了200公里以上,速度可以达到7.8km/s,那么就可以环绕地球运行了。

 

当在空间中,某一个高度的一个点,它的速度方向是水平的,如果这个点的速度小于当地的环绕速度,或者说是当地的第一宇宙速度的话,那么就会形成一个椭圆轨道,那么它的近地点就会低于当前的这个点。反过来说,当前点上的速度高于当地对应的环绕速度,那么就会形成一个椭圆轨道,而它的远地点就会高于目前这个点。我们前几天看到的长征七号火箭发射,关机点高度大概是两百公里,而它关机点的速度是大于当地的环绕速度,所以就会进入一个近日点两百公里、远地点三百九十多公里的轨道。

它的关机点的速度越高,那它可以实现的远地点的高度越高,比如发射同步轨道卫星的任务,运载火箭要把卫星送到近地点是两百公里,远地点是三万六千公里,甚至更高的轨道。如果说想要登陆月球或者进入环月轨道,那么我们就需要把远地点拉到三十八万公里左右,航天器飞到远地点的时候就可以进入月球的引力圈了,此时需要火箭的速度达到11km/s的量级,若是速度再大,就可以脱离地球的引力圈了。

以上是关于轨道的基本概念。

火箭的诞生之初

通过运载火箭将物体送入轨道,我们会面临的一个最大的问题是地球的大气层高度是有限的,在大气层中任何飞行器可以利用空气中的氧气作为氧化剂,而自身只需要携带燃料就可以实现推进,而且可以利用空气作为升力,来进行飞行。但是在大气层外,这些条件都是不存在的,所以如果说要飞到大气层之外,而且还能够入轨,这就要采取其他的办法。

无论是航空发动机还是火箭发动机,它本质上都是一种热机,是将化学能转为机械能这样的设备,两者的不同就是,火箭发动机自身携带氧化剂,这样火箭不需要空气中的氧气就能够进行工作,这样它即使飞出大气层外,仍然能够使用自身的推进器所携带的化学能转为机械能,为飞行器提供动力,这样的话它就可以持续进行加速,无论是在大气层内或外,这样最终就可以将物体进行加速,达到第一宇宙速度,进而达到进入轨道的目标。

因此从目前人类掌握的科学知识认知和技术来说,**利用运载火箭是唯一一种能够将物体送到大气层外并且能够进入环绕地球运行轨道的手段。**那么谈到运载火箭不得不提到俄罗斯的科学家齐奥尔科夫斯基,他可以说是火箭技术先驱,也是他第一次给出了火箭方程,火箭改变速度的能率和比冲、质量比有关。

齐奥尔科夫斯基火箭方程,图片来源:维基百科

火箭的质量比越大,也就是说燃料在里面占比重越大、还有比冲越高,比冲可以理解为火箭发动机喷流的速度,这两个指标越高,那火箭改变速度的能力越强。 但即使利用比较先进的技术,在那时候也不可能利用单级火箭将物体加速到第一宇宙速度。 所以就产生了多级火箭的想法。一级火箭的工作结束后,将不需要的重量抛掉,这样多级逐渐加速,就可以实现加速到第一宇宙速度的目标。 

当然啦,随着技术的进步,由于液氢液氧的火箭发动机出现,它的比冲是非常高的,因此利用液氢液氧燃料的运载火箭是有可能实现单级火箭入轨,但目前为止人类还没有做到这一点,但在理论和工程可行性方面可以实现。目前,使用多级火箭将物体送到轨道上还是比较现实的方法。由于地球的大气层比较稠密,实际上除了将物体推进到第一宇宙速率外,还要克服大气阻力,以及要将物体送到比较高的高度,就是两百公里以外,因此需要消耗一定的推进剂。  

运载火箭技术的逐步完善

在上述的一些理论得到完备以后,人类就开始发展相关的火箭的技术。除了齐奥尔科夫斯基以外,还有美国罗伯特·戈达德等都为人类发展火箭技术的先驱。在这些前辈的基础上,德国的冯·布劳恩发展出人类历史第一种真正意义的现代的运载火箭,也就是德国在第二次世界大战V-2导弹,可以说人类到目前所建造的所有运载火箭都没有脱离V-2火箭为运载火箭所建的理论架构。


运载火箭包括了最关键的动力系统,动力系统包括发动机和储箱,以及结构系统、控制系统、电机系统等等结构,这个在V2火箭时期都已经具备,后来包括多级火箭或其他的运载火箭都只是在这样的工程的理念上提高而已。

运载火箭技术,可以有不同类型的分类方法,**比如说从推进剂的类型来说,包括液体的运载火箭和固体的运载火箭;从它的组成方式上,可以包括串联式的运载火箭和并联式的捆绑运载火箭,也包括他的混和或组合这样的模式。**运载火箭在分类方式上不是唯一的。

一般来说液体火箭的结构相对要复杂一些,而液体运载火箭发动机的性能也更好些,但是它的推力不像固体火箭这么大,因此在运载火箭的发展过程中,使用纯液体、纯固体、以及两者结合,混和搭配使用的例子都很多,因为两者确实各有各的特点。人类目前研制最大的发动机,美国土星五号运载火箭使用的F-1发动机,它是最大单喷管发动机,单喷管即可达到600吨以上的推力,而俄罗斯的RD-170是目前单排最大的发动机,但是它有四个喷管。那么人类目前使用的最大的固体火箭发动机呢,实际上是航天飞机,使用四段式的固体火箭,单个的固体火箭可以达到1000多吨以上,非常巨大。未来呢,美国五段式可以有更强大的推力,最近呢大家也可以从网上一些消息,得知他们在进行相关测试。

王兆魁补充: 关于,固体运载火箭和液体运载火箭的差别。事实上,我们大多数绝发射卫星的都是液体运载火箭,因它比冲高、稳定。固体火箭主要用来发射导弹,当然目前也会用来发射卫星,它的优点是发动前不用临时加入推进剂,易于保存也易于运输,反应速度比较快。 杨宇光:王教授也提到了固体运载火箭和液体火箭的差别,液体火箭的比冲比较高,一般来说,如果希望把物体送入轨道,使用两级运载火箭,就可以将物体送入高度比较低的轨道,若想将物体送入较高的轨道,就要使用到三级运载火箭。固体运载火箭,由于它的每一级的燃烧时间比较有限,就需要比较多的级数,若是要进入一般高度的轨道,也需要用到三到四级的火箭。 当然啦,正如我们前面所讲的,随着技术的发展,那么人类也在逐渐减少这个火箭的级数,使它的结构能够更加简化。

美苏争霸火箭技术飞速发展

关于人类的运载火箭的发展,运载火箭的技术和美苏之间的太空竞赛有很大关系,人类的运载火箭的飞速发展离不开美苏的因太空竞赛的推动作用。 美苏当初发展运载火箭技术都是基于多级火箭研制的远程到洲际的导弹,在这个基础上发展运用于航天发射的火箭。

那么在二战以后,美国把战略重点放在轰炸机上,因此前苏联得以在火箭技术方面领先,前苏联的航天先驱科罗廖夫 团队的带领之下,率先研制出运载能力较大的、能够将很重的载荷打到一万多公里以上的洲际弹道导弹。在这样的洲际弹道导弹基础上,他发展出能够将卫星送入地球轨道的运载火箭,也就是将史普尼克一号送入轨道的运载火箭,后来实际他发展出改良上升号、东方号、联盟号飞船都是在这个基础发展出来的。

到目前为止,前苏联除却联盟号系列运载火箭,还有比较重要的系列火箭就是质子号运载火箭,由切洛梅设计主导研发。质子号与联盟号的不同之处在于,它不是使用液氧煤油为燃料,而是使用常温的偏二甲肼加四氧化二氮为氧化剂。质子号的运载能力较联盟号相比,运载能力更强,能够进入轨道20吨的量级。前苏联在金星探测和月球探测等等很多方面的辉煌成果都离不开质子号火箭。但是质子号火箭本身的成功率较低,这使得很多重要的任务因为质子号火箭的发射失败,从而导致整个任务的失败。

另外,前苏联为了进行登月竞赛发展了一种重型运载火箭,也就是N1火箭,但由于计划仓促,规避了很多必要的试验,导致其四次发射全部失败,这也是前苏联在登月竞赛中惨败的原因。

在登月竞赛之后,前苏联和俄罗斯除了继续使用联盟系列和质子号运载火箭之外,也开发了新的天顶号,能源号运载火箭等。能源号运载火箭也是一种重型火箭,天顶号是基于能源号的助推器发展出来的运载火箭,它同时采用了海上发射的方式,这也是在商业上比较成功的典范。

美国在二战之后,由于对航天方面没有引起重视,所以在初期运载火箭方面的技术稍落后于苏联,也是由于这个原因,第一颗人造宇宙卫星、第一艘载人飞船、第一个月球探测器、第一个金星探测器等等这些殊荣,都归前苏联所有。但由于美国技术雄厚,随后在航天技术方面的飞速发展,在登月竞赛时很快的发展出宇宙神系列,大力神系列火箭,使得水星号飞船和双子星飞船很快地入轨。

美国之所以能够在登月竞赛中取得最终胜利,离不开由冯·布劳恩主导研制的土星系列火箭。土星系列进行实际飞行主要有两个型号,一个是土星1-D,它的近地轨道运载能力大约是在二十吨左右的量级,应当说是人类第一种成功研制并投入使用的重型运载火箭,所以说在早期的发射中,会有一些问题,但是它的发射几乎是每次都非常成功,这不得不说是人类登月历史上很大的奇迹。

之后的土星五号重型运载火箭近地轨道运载能力在一百二十吨以上,如果发射到月球的话,他早期的型号就可以将四十五吨重的阿波罗飞船,包括指令舱、服务舱、和登月舱送到环绕月球的轨道。那么后来的型号,就包括阿波罗十五号以后的型号,随着它的性能的进一步改善,就可以将月球车也同步的送到月球上。在阿波罗计划结束以后,还利用土星五号火箭发射了美国第一个实验性的空间站,天空实验室一号。

可重复使用运载火箭的发展

 

**在阿波罗计划结束以后,美国的航天飞机就成为人类历史上第一种可重复使用的运载火箭。**那么航天飞机早期是有很多种方案的,当然后来由于各种原因,包括进度和经费等等方面原因,选择了未完全重复使用这个路径,也就是说,航天飞机由轨道器、外挂燃料箱和两个固体火箭助推器组成,那么轨道器和固体火箭助推器都是要回收的,而外挂燃料箱就不再进行回收了,所以说它是一个部分可回收的运载火箭。

 

虽然说大家目前都比较关注SPACEX猎鹰九号火箭的回收,但实际上猎鹰九号不是人类第一种可重复使用的运载火箭,航天飞机才是,它的回收方式比较特殊,两个固体助推器最后会降落在大西洋上,由船打捞,进行回收,而轨道器由于它将航天飞机的主发动机也做在上面,可以最后随着轨道器像飞机一样滑翔返回,如此可以回收主发动机。

 

美国研发航天飞机的初衷是希望可以降低太空发射的成本,但是实际上最后并没有完成这个目标,而且是在挑战者号航天飞机失事以后,严重的问题才逐渐浮出水面。航天飞机在发射以后,进行回收的过程,整个检测、维修、再次发射,它的整个过程中,除了消耗性的外挂燃料箱以外,其他部分都是可回收的,但是整个回收过程要比重新造一枚火箭来的昂贵,这也就是航天飞机在成本上比较失败的原因,后来因为挑战者号及哥伦比亚号比较惨重的飞行事故导致十四位航行员丧生,也是它退出使用的原因。

 

美国本来是打算使用航天飞机取代所有一次性的运载火箭来实现飞行的发射,但是在成本及安全性问题出现以后不能实现这个目标,因此不得不恢复到像是大力神系列火箭以及宇宙神系列运载火箭等等来实现发射。在这个过程中,欧洲也出现阿丽亚娜系列运载火箭,由于它的价格、性能都很具又竞争优势,因此在国际发射市场上和俄罗斯、中国形成强力的竞争。

 

除了主流的型号以外,还有一些比较小的型号,比如美国基于机载发射可以实现空射入轨的小型运载火箭-飞马座,以及利用过去退役的弹道导弹改造的-金牛座运载火箭等等,包括俄罗斯未来也在发展新的系列例如安加拉系列等等,随着运载火箭的发展,可靠性越来越高、整个性价比也向更好方向发展。

中国的运载火箭

而中国的运载火箭,中国的第一颗人造卫星是由长征一号运载火箭发射入轨的,而长征一号目前已经退出使用了。长征一号的特点是它使用直径两米二五的三级火箭,前两级是液体的,第三级是固体的。在火箭中直径是比较重要的,火箭的直径决定的了很多的加工设备,很多的基础设施、重要的配置和参数,因此开发一个新的直径的系列对于开发新火箭是很大的事。

长征三号系列是在长征二号的基础上再增加,使用液氢液氧燃料的第三级形成火箭的系列。从最早的长征三号,到长征三号甲,再基于长征三号甲再捆绑两个到四个助推器,那么就是形成长三甲系列。捆绑四个助推器是长三乙系列、捆绑两个助推器是长三丙,这个系列在目前应用方向是是非常多的,我国目前的同步轨道卫星、月球探测器都是用这个系列发射的。

 

长征四号是一种三级火箭,也是在长征二号系列上增加使用常温燃料的第三级,刚才提到我国型号的运载火箭一级及二级助推器使用的都是以偏二甲肼作为燃料以及四氧化二氮作为氧化剂成为推进器的组合,使用常规燃料作为基础及的运载火箭,助推器都是使用两米二五的助推器,因此可以认为长征二号、三号、四号都是有比较接近的建设基础。

 

这个系列的运载火箭的特点使用的是四台主发动机,早期的型号每台发动机的推力大概是七十吨,八十年代以后经过优化,每台主发动机可以提升到七十五吨,那么它的起飞推力从二百八十吨提升到三百吨,如果捆绑四个助推器的话它的起飞推力达到六百吨,同时它的运载能力也很大的提高,同时它的性能经过不断地优化,目前长二F这样的运载火箭的低轨运载能力可以达到八点多吨,长三甲系列同步转运轨道可以到五点五吨的运载能力。

 

这也就是为什么要发展液氧煤油发动机以及更大推力的液氢液氧发动机的原因。现在通过推力达到一百二十吨量级的液氧煤油发动机,然后再通过不同的组合,可以实现几类不同的新型运载火箭,去年刚发射长征六号运载火箭是使用一台一百二十吨的液氧煤油发动机,就可以将一定载荷送入轨道。而前一段时间刚发射的长征七号,它的助推器主要使用六台一百二十吨推力的发动机,可以使整个起飞推力达七百二十吨,实现中型火箭推力。

 

从运载火箭研制的特点来说,研制一种型号的发动机是非常不容易的。而通过不同的组合化,来达到运载火箭系列不同的运载能力需求、不同任务需求,这样在国际上是比较普遍的。中国基于三个直径系列,例如两米二五系列、主要做为助推器来使用,还有三米三五系列、还有新的长征五号的五米,还有比较少量的例如一百二十吨的液氧煤油发动机和五十吨级的液氢液氧发动机,少量的几种发动机的组合可以形成不同的型号,形成完整的系列,也就是中国的第一代运载火箭,可以满足不同的飞行任务。

 

长征五号在这个系列中是最大的,它的芯级是五米,助推器是三米三五,助推器使用两排一百二十吨的液氧煤油发动机,芯级使用五十吨级的液氢液氧发动机,通过不同的组合使用不同级数,如此可以构成低轨道、二十几吨地球同步转运轨道这样的运载能力,可以满足比较长远方面的需求。

 

除了液体运载火箭以外,也在开发固体运载火箭,我们目前看到已经发射的有两种,一种为“快舟”系列运载火箭,目前已经有两次,还有一种是已经发射过一次的长征十一号固体运载火箭发射,虽然说整个性能无法和液体火箭进行相比,但是它易于储存、运输、需要的检测时间也比较短,因此适用于比较小的载荷、需要比较快速发射的场合。

王兆魁
清华大学航天航空学院副研究员

运载火箭是航天的基础,运载火箭的能力有多大,中国航天的舞台就有多大。刚刚杨老师讲的都是入轨的相关知识。对深空探测而言,入轨之后还有很多路要走。

运载火箭产生推力的基本原理就是牛顿第三定律。电推进是用静电场,或者电磁场来加速带电粒子,它所产生的速度远远大于化学反应燃烧产物带来的速度,它的比冲可以达到一万秒,而液氢液氧也就是400多秒。当比冲很高的时候,质量比就不需要那么高,消耗的燃料也就随之减少。电推进现在在地球静止轨道卫星的保持控制里面,星空探测里面,已经得到了广泛的应用。电推进为什么不能用于火箭发射呢,是因为它的推力很小。现在一般都MN~N,对于发射入轨来说,主流的还是化学燃烧火箭。

除了电推进,另一种产生推理的办法就是太阳帆。太阳帆(也称为光帆,特别是它使用来自于太阳以外的光源时)是使用巨大的薄膜镜片,以太阳的辐射压做为宇宙飞船推进力的一种计划。辐射压不仅非常小,而且与太阳距离的平方成反比,但不同于火箭的是,太阳帆不需要燃料。推进力虽然很小,但是只要太阳继续照耀着,太阳帆就能继续运作。目前,在航空航天方向的工程技术没有突破性进展,已经达到了工程技术的极限,目前想实现很大的进展是很难得。

精彩答疑

Q: 可否讲解一下关于可重复使用的航天运载火箭的情况?

**杨宇光:**客观来说,航天飞机在成本上的失败阻碍了可重复运载火箭技术的发展。但最近几年有所改善,我比较赞赏SPACEX在这方面的努力。对于可重复使用运载火箭的回收方式有很多种,我个人更倾向于降落伞回收,水平降落,并且气囊缓冲这种方式,SPACEX采用了垂直主动降落这样的方式也有他们的考虑。各种回收方式是各有利弊的。

Q:中国四大发射场建设的内在科学逻辑是什么?这种逻辑是原来就有的还是后来发现的?如果是后来发现的,是全球发现还是中国独立发现的?这些发现对于未来太空飞行的实现影响是长远的?还是短期的?

**杨宇光:**我们知道把载荷送到地球轨道要达到7.8公里每秒的第一宇宙速度,运载火箭需要借助地球自转的一部分能力,在赤道附近,地球自转速度是400多米每秒的速度。如果你发射的是一个小倾角轨道的卫星,那么你越靠近赤道对你节约能量是越有利的。如果你是发射太阳同步轨道卫星,你发射的轨道倾角是大于90度,这个时候就是发射地越靠北部越好。这就是为什么中国发射太阳同步轨道卫星,要在太原发射场地。

实际上运载火箭的发射有很多方面的考虑,不仅仅是从节约能量的角度来说。从节约能量来说,在海南或者西昌进行由于他们的纬度比较低,发射一些小倾角轨道卫星是节省能量的。但有的时候把发射场放到内陆能够带来一些额外的好处,比如说神舟飞船从酒泉起飞,它的主动段大部分过程都是在国内,不仅是观测容易测控容易,如果宇航员发生意外也能很快进行补救。当然在内陆的话,火箭的落区要考虑这个安全问题。

**王兆魁:**中国四大发射场是逐步建立的,当然不是在最早时期进行的统一规划。中国第一个发射场是酒泉发射中心。也是最早运载火箭的试验场,当时建设主要从政治和军事上考量的。美苏争霸在洲际导弹上有很大的竞争,中国也是从这个开始的,所以建设在酒泉。西昌卫星发射建立考虑了发射纬度和安全性的原因。太原卫星发射中心主要是发射我国的太阳同步轨道卫星,卫星的轨道面和太阳到地球连线的方向基本保持不变,这种轨道对纬度来说没有要求了,因为它的飞行方向是南北方向。海南文昌发射场,是根据科学规划,专门针对载人航天方面的,建立的发射场。法国阿丽亚娜火箭不是从欧洲本土发射,而是在南美发射的,纬度5度左右。这方面讲,俄罗斯比较吃亏,俄罗斯纬度较高,纬度最低的就是哈萨克斯坦的一个发射场,但是现在由于苏联的解体,又建立了东方发射场,由于纬度高,所以与其他国家比,付出的代价高很多。

Q:长征七号火箭,以及接下来要首发的长征五号火箭,与国际上现有的主流火箭,比如美国的Atlas系列、Delta系列,俄罗斯的联盟系列,欧洲的阿里亚娜系列,SpaceX的猎鹰九号等,相比较的话,大概处于一个什么样的位置?

**杨宇光:**目前中国是个航天大国,从每年的发射次数来说,已经是航天大国。从成功率来说已经领先了。但官方发布的权威信息,还不能称之为航天强国,在一些细致的地方,与其他航天强国相比还是有很大差距。

除了性能指标上的差异,还可以探讨下性价比的问题。安全可靠与成本之间的关系,航天器除了原材料的加工,整个的集成过程,测试过程都需要花费成本。这些都是为了从可靠性角度提高他的成功率,实际上是有些矛盾的。对于航天人来说,如何保证高可靠低成本是一个永恒的话题,应当说呢,在这方面取得的平衡代表了这个国家的技术水平。

那么关于与先进国家之间的差别,美国在60年代就研制出了近地轨道运载能力在百吨以上量级,苏联能源号也能够达到同样的量级。美国的太空发射技术,有望实现飞行。未来中国如果希望在航天技术有所发展,发展百吨以上量级的近地轨道运载能力的火箭是非常必要的。

Q:目前航空航天研究的市场开发情况如何?

**王兆魁:**航天的市场开发,有两类,一类是现在卫星技术和卫星技术的应用,欧美发展迅猛。国内这方面在逐渐发展,相信能够很快跟上。

另外,SPACEX的出现代表着大型国有企业能做的事情,现在民营企业也能做的。但我们业内人士认为它并不是真正意义上的一个市场。SPACEX也是NASA买单,本质上也是政府买单。不过在中国,是很难有SPACEX这样的企业出现,无论是从基金还是技术上。

Q:从今天看来,最理想的发射场是什么标准?

**杨宇光:**刚才我们已经讨论到了,从发射同步轨道卫星,地倾角,越靠近赤道越好。还有很多因素,适应发射天气的天数也是一个很重要的指标。

还有一个很重要的因素是射向的选择,将运载火箭发射到指定轨道,任何一个地点能够发射直接入轨的卫星的倾角会低于当地的纬度。比如说现在是在北纬四十度建立一个发射场,正常来说如果是直接发射运载火箭,不可能将载荷直接送到轨道倾角低于四十度的轨道上去。

我们建立一个航天发射场当然是希望能够满足多种需求。所以多射向是一个航天中心的重要指标。多级火箭主要包括助推器等等都是要掉下的,肯定希望它能够掉在人烟稀少的区域,实在避免不了会进行人员的疏散,这样的考虑对于地点的选择是很重要的。

因此海南的确是较得天独厚,无论从把同步卫星,送往几乎是往正东的方向,到倾角大概是在十八、九度倾角的卫星,以及把给空间运送载荷的飞船,倾角是四十、四十一、四十二度东南方向,还有把太阳同步轨道,向正南偏西的射向发射,从地图上我们就可以看到几乎是朝所有的方向发射,而落区大约都是在海上的,这样可以避免落区在陆上所带来的问题。

海南因为靠近海边,所以受热类风暴影响较大,也因为靠海边所以会有比较潮湿的问题,这些对于推进器都是比较不利的条件。所以若是要在这个地方发射的话就要考虑这些原因,不能因为这些原因而使机器故障。所以在这个地方建发射场的各方面都要纳入考虑。不受发射地区因素而发展小型发射火箭,飞机载机可以挂着火箭到其他地方进行发射,这样对于领土比较狭小的国家有利,因为他们可能没有适当的地区进行火箭发射。

未来新型的航天运载工具发展,目前单级入轨尚未实现,可重复运载火箭有很多种方式,两级入轨完全可重复使用,第一级采用混和动力,航天发动机进行起飞,到比较高的高度和速度使用冲压发动机,达到更高的速度。而第二级使用火箭发动机进入轨道,采用这样组合的动力方式,可实现完全可重复使用。利用这样的方式,可能对于发射场的限制会减少。

在火箭发动机和航空发动机之间的技术为超燃冲压发动机,利用空气中的氧气作为氧化剂,不同于航空发动机,它可以在很高的高度、稀薄的大气之下,以很高的速度来飞行,但是人类到目前没有完全攻克这样的技术,一旦攻克的话由于它的比冲很高,就有可能利用它进行更便捷的方式进入轨道。

但是进入轨道肯定还是要用火箭发动机,因为轨道是由动力关机的那一点决定的。而这一点肯定是在大气层外的,否则轨道的近地点会很低,就不可能维持运转轨道,最后进入轨道一定是要靠火箭发动机的,你有多大的比重、多大的部分是由火箭发动机来承担的,在大气层内的部分有可能靠航空发动机和冲压发动机来实现,这样整个比冲很高,这样有可能实现单级入轨,或者成本比较低的两级可重复使用的入轨。

未来进一步发展,在通过大气层的过程中,我们只能使用化学燃料推动火箭发动机,未来深空的推进有可能可以使用电推进,电推进包括两类,一类基于太阳能,一类基于核能推进,若未来人类想要大规模的开发太阳系,核能功率可以达到兆瓦级,对于升空开发是很重要的方向。 

(整理、排版:Sol_阳阳、朱诺)  本文图片由本期沙龙嘉宾提供

科学人线上沙龙由科学人主办,针对时下热点科学话题进行线上讨论。更多线上线下“干货满满”的活动,请持续关注科学人。

往期优秀线上沙龙活动回顾:

第1期:地球不在乎我们,我们要在乎自己

第2期:与科学家、科幻作家畅谈引力波:线上沙龙回顾

第3期:人机大战怎么看?AI专家、围棋铁粉、科幻作家来作答

第4期:数学是一种美丽的语言 |科学人

第5期:天文学是最美丽的“无用”之学 | 科学人

本文来自果壳网,谢绝转载

如有需要请联系sns@guokr.com

科学人

科研最新进展,学术最新动态,顶级学者的思考和见解。
长按二维码关注科学人(微信号:scientific_guokr)。

点击“阅读原文”, 回顾长征七号发射成功

代码交流 2021