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-252℃!中国全新火箭 其实是“冰箭”

时间:2016年06月13日 信息来源:中国航天科技集团 点击: 【字体:

2016年,历经数载研制,我国新一代长征七号、长征五号运载火箭即将迎来首飞。


“长征七号”是为满足中国载人空间站工程发射货运飞船需求而研制的新一代中型液体运载火箭。从设计到生产,均采用全三维数字平台,标志着中国运载火箭迈入了全生命周期数字化的大门。


“长征五号”是中国目前研制规模最大、技术跨度最高的航天运输系统工程。其近地轨道运载能力25吨,地球同步转移轨道能力14吨,能将中国进入空间的能力提升2.5倍,并带动牵引中国现役运载火箭动力系统升级换代。


相对于国内现役长征系列火箭,长征七号、长征五号运载火箭全面大量使用液氧/煤油、液氢/液氧低温推进剂组合,成为名副其实的低温火箭,其中长征五号更是因为应用了液氢,得“冰箭”之誉。



“冰箭”接近低温极限 防水隔热要面面俱到


长征五号运载火箭在燃料上下了很大功夫,不同于目前使用化学燃料的常规火箭,长征五号运载火箭采用无毒、无污染的液氢液氧作为推进剂。


在其800多吨的身体里,90%是-252℃的液氢和-183℃的液氧,这已经接近低温的极限,“冰箭”一名正源于此。


为了防止空气中的水蒸气因低温凝结,火箭设计必须考虑防水设施。


此外,液氢还具有极强的挥发性,而火箭发射时尾部火焰温度将达到3000 摄氏度,如若隔热不当,液氢有可能消耗殆尽。


因此,必须通过绝热方式对火箭进行严格控制,需给“冰箭”穿上一件厚厚的“绝热服”,保证火箭不被热量“入侵”。


“低温”是历史的选择


翻开世界航天探索发展史,我们总能在一次次航天里程碑式的跨越发展中发现“低温”的身影。


现代运载火箭源于二战期间德国研制的V2弹道导弹。这是运载火箭技术开启航天新篇章的一个重要里程碑。历史在推进剂的首次选择上使用了低温液氧和酒精组合。

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V2弹道导弹


如果说德国的V2导弹还只是开启了运载火箭的技术之门,那么苏联将初期同样用于洲际导弹的R7改装为运载火箭,并成功发射了人类历史上的首颗人造地球卫星,就在真正意义上实现了运载火箭的开天之路。


这一次,历史也选择了低温液氧和酒精作为推进剂。


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R7运载火箭


1961年4月12日,世界第一位航天员加加林乘坐苏联东方号运载火箭进入地球轨道运行并安全返回地面,人类载人航天史也由此拉开大幕。这一次,载人的东方号运载火箭推进剂选择的是低温液氧和煤油组合。


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东方号运载火箭


上世纪60年代初期,美苏太空竞赛将运载火箭技术推到了登峰造极的地步。当时,著名的土星5火箭一子级推进剂选择了低温液氧和煤油组合,二子级和三子级推进剂选择了低温液氢和低温液氧组合。


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土星5火箭


随着现代科学技术的进步,人类对于太空的探索、应用需求也日益增加。为了适应这种需求,20世纪末,世界主要航天大国陆续开展了新一代运载火箭的研制。在此轮运载火箭的更新换代中,低温火箭成了众人的不二之选。


无论是美国的宇宙神5系列、德尔塔4系列,还是欧空局的阿里安5系列、俄罗斯的安加拉系列以及日本的H2A系列运载火箭,均不约而同地选择了或者液氢/液氧,或者液氧/煤油的推进剂组合。世界航天运载火箭经过半个多世纪的发展后,在液体推进剂的使用方面呈现出大统一局面。


进入21世纪,航天飞机陆续退役,以低成本为目标的美国SpaceX公司研制的猎鹰1和猎鹰9运载火箭,承担起了空间站的货物运输任务。猎鹰火箭推进剂还是选择了低温液氧和煤油组合。


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猎鹰9运载火箭


可见,几乎世界航天发展的走过的每一个重要节点上都有“低温”的标签,这是历史的选择。


研发难度大 技术挑战多


有一个叫做比冲的参数直接影响了运载火箭的能力,这个参数和推进剂组合类型直接相关。研究发现,低温推进剂组合的比冲参数往往显著高于常温推进剂组合。


从最初德国的V2导弹,到苏联的R7火箭发射首颗人造卫星,再到美国成功实施的阿波罗计划,以至后来的系列发展,人类从未因为低温带来的技术困难而放弃过对低温推进剂的使用。


1993年,印度决定自行研制低温液氧-液氢发动机,期间经历了数次挫折,最终在20多年后的2014年才发射成功。


当然,除了卓越的性能优势让人们心甘情愿地接受低温推进剂所带来的技术难题的话,那么相对于普遍具有毒性和强腐蚀性的常温推进剂而言,低温推进剂组合的无毒、无污染特性,也能让我们说服自己更多地采用这项技术。这也是当前主流火箭均普遍选择低温推进剂的另一个重要原因。


可以预见,未来,低温火箭的数量将越来越多,地位也会越来越重要。


(作者:佚名)
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