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  2. 用不銹鋼造火箭!我國首款不銹鋼火箭朱雀三號發布,預計2025年具備首飛能力
    2023-12-18 12:00:13 作者:腐蝕與防護 來源:科技日報 分享至:

     

     

    近日,中國民營航天企業藍箭航天空間科技股份有限公司(以下簡稱“藍箭航天”)發布了朱雀三號可重復使用液氧甲烷運載火箭,這是我國首款不銹鋼運載火箭。

     

     

    據了解,朱雀三號火箭是以液氧甲烷為燃料的可重復使用運載火箭,其未來火箭一子級可重復使用次數可達20次,可以將發射成本降低一個數量級,預計將于2025年具備首飛能力。

    據藍箭航天創始人兼董事長張昌武介紹,朱雀三號箭體直徑4.5米,整流罩直徑5.2米,全箭總長76.6米,起飛重量約660噸,起飛推力約900噸。火箭動力系統全部采用藍箭航天自主研制的天鵲系列液氧甲烷發動機。其中,一子級配置9臺海平面推力1000千牛的天鵲12B發動機,二子級配置1臺真空推力1183千牛的天鵲15B真空型發動機。

    張昌武透露,考慮到重復使用,朱雀三號整箭配備了4組可展收式柵格舵作為氣動操縱面,用于一子級氣動減速段的姿態調整與落點控制;尾部安裝著陸腿,用于實現一子級垂直著陸回收。該一子級設計復用次數不少于20次,一次性任務低軌運載能力可達21.3噸,航區回收任務為18.3噸。
    此外,朱雀三號是我國首款不銹鋼液體運載火箭,其貯箱結構采用高強度不銹鋼材料,在材料選型、結構形式、焊接工藝與生產設備方面均具有高度原創性。不銹鋼箭體結構可以大幅降低火箭的制造成本,縮短生產周期,耐高溫的性能在火箭多次返回、重復使用上具備明顯優勢。基于液氧甲烷成本低廉,甲烷發動機不積碳、易維護的特質和可全生命周期監測的屬性,朱雀三號火箭一級發動機在火箭回收后可不下箭檢查,加注完成即可再次飛行,實現航班化運營,發射成本相較一次性火箭可降低80%至90%。

    據悉,朱雀三號火箭具備一箭多星、平板堆疊衛星群打的能力,可覆蓋市場上絕大部分載荷的近地軌道、太陽同步軌道、地球同步轉移軌道等發射需求,投入商業化運營后將大大提升衛星互聯網星座的組網效率。

     

     

    用不銹鋼造火箭,不僅僅是馬斯克

     

     

    火箭箭體是你手里的保溫杯、你家高壓鍋的不銹鋼造的,燒的“油”是你家熱水器每天在燒的甲烷,同時還能回收重復使用……這種火箭,你的第一反應是不是馬斯克的“星艦”?你的判斷沒錯。不過,有一款來自中國的新火箭也點亮了同樣的“科技樹”,它就是朱雀三號。

    仔細看藍箭公布的朱雀三號參數,能看出不少門道——它對標的是當前全世界發射頻率最高的火箭——美國SpaceX公司的獵鷹9號。不可否認,獵鷹9號是目前唯一大規模商用的可復用火箭,創造了大量紀錄,用得最多的一子級,已經重復使用了接近20次。然而,獵鷹9號的液氧煤油推進劑,其實并不太適合重復使用。

    專家介紹,馬斯克為獵鷹9號選擇了“灰背隼”發動機,主要看中了它技術成熟、可靠性好、推力大,但煤油有個天生的缺陷,就是燃燒后容易燒結、積碳,回收后要清理很麻煩,而且很難完全洗干凈。“迄今為止,我們都很難說,重復使用以煤油為動力的獵鷹9號,到底能省多少錢。”

    而甲烷燃燒后幾乎沒有結焦,維護起來比煤油發動機容易很多,省錢又省人工,還省時間。“成本低、效率高、環保性強,都是液氧甲烷燃料的優點。”從這個角度看,朱雀三號的理論性價比上限要比獵鷹9號更高。

    除此之外,朱雀三號的官宣文字中,“采用S301系列不銹鋼制造火箭貯箱”讓人眼前一亮。這也就意味著,藍箭要和馬斯克一樣,用不銹鋼來造火箭了。

    專家說,不銹鋼最大的缺點就一個字:重。但優點很多,強度高、耐高溫低溫、耐腐蝕,而且極其便宜。SpaceX官網數據顯示,“星艦”飛船再入大氣層時,20%的表面暴露在1470℃高溫下,還有20%最高溫超過1300℃,其余最高溫低于1176℃。而不銹鋼的熔點在1398~1454℃,比目前任何主流箭體材料都要耐高溫。大家都知道,太空里更多的是極寒環境。神奇的是,不銹鋼在低溫下強度還會提高50%。我們在之前的引力播中曾介紹過,4月20日“星艦”首飛雖然失敗,但它在天上翻滾了好久才解體,不銹鋼箭體的強度可見一斑。

    然后它還有一大優點就是廉價,我們日常生活中,隨處可見不銹鋼的身影,大家家里的高壓鍋、保溫杯、櫥柜等,常常會用到這種材料。

    不過由于不銹鋼重,所以想用它造火箭,首先發動機必須足夠優秀。而且用不銹鋼造箭體其實技術含量很高。以“星艦”為例,它的直徑達9米,但不銹鋼殼體做得非常薄,厚度不到4毫米,又大又薄又耐壓,背后的材料技術和加工水平都非常高。

    由此可見,藍箭航天要挑戰的“不銹鋼朱雀”,還有不少要克服的困難。不過朱雀二號已成功升空,這無疑為“升級版朱雀”的研發注入了一劑強心針。

    朱雀二號是我國首型以液氧甲烷為推進劑的中型液體火箭,由藍箭航天自主研制。發動機以液氧甲烷作為推進劑,是朱雀二號最大的特點之一。液氧甲烷,通俗地說,就是液態的氧氣和天然氣。就像我們剛剛提到的,這種燃料在地球上資源豐富,成本低廉;燃燒效率高,有利于提升運載能力;同時,燃燒后的產物是水和二氧化碳,相對比較綠色環保,有利于火箭重復使用。

    12月9日,朱雀二號遙三火箭將三顆試驗衛星成功送上了460公里太陽同步軌道。在這之前,朱雀二號已經進行過兩次發射。去年年底,朱雀二號遙一火箭發射,因為二級游機異常關機故障遺憾未能入軌。之后,技術團隊對問題進行了分析與改進,今年7月,朱雀二號遙二火箭發射升空,任務取得成功,它也成為了全球第一枚成功入軌的液氧甲烷火箭。

    兩次飛行實測數據,驗證了朱雀二號全箭各個系統設計的正確性和工作穩定性,也為朱雀三號的設計研發奠定了基礎。讓我們一起期待更多好消息吧!

     

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