韓國首枚自主研發的運載火箭“Nuri”(世界號)於當地時間21日下午17時00分在韓國的全羅南道羅老宇航中心發射升空,儘管火箭順利點火起飛,但卻未能將有效載荷送入軌道,原因是三級火箭發動機比原計劃提前結束燃燒。
12月20日,韓國的《朝鮮日報》公佈了調查報告,稱一個致命的設計錯誤導致了三級火箭的氧化劑洩漏,火箭發動機提前關閉,載荷未能進入預定軌道。
致命設計錯誤:其實是一個極為低階的錯誤
《朝鮮日報》中說的致命設計錯誤,避免了一個非常刺眼的形容詞,如果按專業人士的話來說,是一個極為低階的錯誤,到底是怎樣低階呢?
氧化劑罐體壓力不足,火箭提前關機,而真正的原因是用來給氧化劑罐體加壓的氦氣罐在飛行過程中脫落,在火箭艙體內到處撞擊導致氦氣洩漏,壓力消失,無法為液氧罐體提供壓力。
很難想象火箭中固定的罐體會在發射時掉落,而所謂的設計原因則是Nuri火箭在設計時只考慮了罐體在靜載荷下的強度,根本沒有考慮在火箭加速階段以及不同載荷與推力下的共振與加速度超載問題。
Nuri火箭的三級火箭結構,上方是氧化劑罐,下方是燃料罐,其中氧化劑罐如右側罐子,中間兩個黃色的是高壓氦氣罐,中間則是氧化劑,正常情況下氦氣加壓,氧化劑罐子就會從罐體中被擠壓出來,而氦氣罐則是固定在氧化劑罐體底部的。
在一二級分離時,火箭箭體就出現了劇烈振動,但此時罐體並未脫落,隨著加速越來越快,速度達到了數千米/秒,此時的加速度已經達到了4.3g,由於振動與超過設計的加速度,導致高壓氦氣罐從氧化劑罐體底部脫落
其結果則是管道破裂,大量高壓氦氣洩入氧化劑罐體,導致氧化劑罐體出現裂紋,當三級火箭點火後,由於氧化劑洩漏,火箭發動機無法繼續燃燒而過早關機,載荷末端速度不足,未能進入預定軌道,導致發射失敗。
韓國航空宇宙研究院的研究人員稱,Nuri火箭最初時一切正常,只是衛星未能正常入軌,但隨著調查的深入發現了這個致命錯誤,火箭沒有凌空爆炸就算是萬幸了。
韓國的Nuri火箭技術究竟如何?能和長征系列對比嗎?
韓國發展運載火箭的執念一直非常深,在Nuri火箭以前就已經發射過三次Naro(羅老號)火箭,這個使用俄羅斯赫魯尼切夫國家航天研究和生產中心製造的、推力為170噸的RD-151的液氧煤油機作為一級火箭,二級火箭則是一枚韓國產的探空火箭,但由於只給了三臺發動機,因此三次發射後就沒有然後了
Nuri火箭則是韓國航空航天研究院(KARI)自研版,一級火箭是四臺KRE-075 SL發動機,二級火箭則是一臺KRE-075 SL發動機,三級火箭則是KRE-007發動機。
一級和二級發動機一個是海平面版本,一個是真空版本,別的沒有任何區別,就發動機噴管膨脹比真空的比較大一些,儘管三級發動機KRE-007發動機和前幾個不一樣,但三個卻是用一種燃料,都是液氧煤油機,不說這效能如何但燃料統一了還真特麼方便。
KRE-075 發動機
海平面推力為66.6噸,真空推力為75.9噸,比衝為261.7 秒(海平面),298.6 秒(真空),用的是氣體發生器迴圈。
效能如何呢?其實發動機的迴圈非常重要,比如常用的有擠壓迴圈、燃氣發生器迴圈(開式迴圈)與分級燃燒迴圈(高壓補燃迴圈)以及膨脹迴圈(一般用於低溫燃料)、閉式燃氣發生器增壓膨脹迴圈、全流量分級燃燒迴圈.......種類實在比較多,限於篇幅無法一一介紹。
擠壓迴圈是最差的,就是給燃料罐加壓,然後燃料就從罐子裡噴出來,就像針筒注射一樣,這個設計簡單,但需要額外的加壓氣瓶。
燃氣發生器迴圈(開式迴圈)就是先讓燃料和氧化劑燒一會推動渦輪泵,抽出燃料與氧化劑,但燃料和氧化劑燃燒後會在噴管旁邊的一個小噴管排出,理論上能產生一丟丟推力,但沒有什麼意義,有的也將其用來作為姿態控制。
分級燃燒迴圈(高壓補燃)是將燃料和氧化劑燃燒後(富氧或者富油燃燒)後的燃氣再次進入燃燒室,參與燃燒,這種發動機燃料利用率高,因此高壓補燃發動機比衝要比開式迴圈高很多。
主要就這三種,其他的則是各型改進,KRE-075用的是開式迴圈,儘管SpaceX最早的Merlin 1A用的也是這種迴圈發動機,不過Merlin 1A發動機的比衝是270S,其改進型Merlin 1D已經達到了283S,但KRE-075水平的差距還是非常明顯的。
KRE-007 發動機
這次出事故的KRE-007是第三級火箭(沒有再次點火功能),其真空推力為7噸,燃氣發生器迴圈(開式迴圈)和二級一級是一樣的。
此次事故沒有發生在發動機上,而是出現在燃料箱中,不得不說韓國實在是比較鬱悶,但火箭技術來不得半點虛假,這整一個系統工程,只要有一處有問題就可能會導致失敗,儘管錯誤可能極其低階,但損失是一樣的。
Nuri火箭與我國的長征火箭對標是哪個版本?
Nuri火箭高度47.2米,直徑3.5米,總質量200噸,近地軌道(300千米)運載能力為2.6噸,載荷比1.3%,比印度資料要好一些,當然印度的運載能力也是要遠超韓國的,畢竟人家也是發射過月船探測器以及曼加里安火星探測器的國家。
假如按近地軌道載荷相比的話,Nuri火箭與中國的長征二號丙(LEO軌道4噸)相對比較接近,但長征二號丙的燃料是四氧化二氮+偏二甲肼,而且還是1975年首飛的老火箭。
如果按燃料型別比較的話與長征6號類似,起飛重量103噸,LEO軌道為1.5噸,其一級火箭用的是YF-100,屬於分級燃燒迴圈型別的發動機,載荷比接近1.5%,其效能要比Nuri好很多。
當然咱也不是有意和韓國去比較的,畢竟長征7號(LEO 14噸)、長征五號(LEO 32噸),未來的長征九號LEO運載能力為180噸,這些都是全球頂尖的技術,是奔著載人登月去的,韓國的運載火箭技術剛剛起步而已,處於小學還未畢業的狀態,但他們每次都喜歡拿中國的對比,不妨讓他們絕望下。