2016年，歷經(jīng)數(shù)載研制，我國(guó)新一代長(zhǎng)征七號(hào)、長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭即將迎來(lái)首飛。
“長(zhǎng)征七號(hào)”是為滿足中國(guó)載人空間站工程發(fā)射貨運(yùn)飛船需求而研制的新一代中型液體運(yùn)載火箭。從設(shè)計(jì)到生產(chǎn)，均采用全三維數(shù)字平臺(tái)，標(biāo)志著中國(guó)運(yùn)載火箭邁入了全生命周期數(shù)字化的大門(mén)。
“長(zhǎng)征五號(hào)”是中國(guó)目前研制規(guī)模最大、技術(shù)跨度最高的航天運(yùn)輸系統(tǒng)工程。其近地軌道運(yùn)載能力25噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道能力14噸，能將中國(guó)進(jìn)入空間的能力提升2.5倍，并帶動(dòng)牽引中國(guó)現(xiàn)役運(yùn)載火箭動(dòng)力系統(tǒng)升級(jí)換代。
相對(duì)于國(guó)內(nèi)現(xiàn)役長(zhǎng)征系列火箭，長(zhǎng)征七號(hào)、長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭全面大量使用液氧/煤油、液氫/液氧低溫推進(jìn)劑組合，成為名副其實(shí)的低溫火箭，其中長(zhǎng)征五號(hào)更是因?yàn)閼?yīng)用了液氫，得“冰箭”之譽(yù)。
“冰箭”接近低溫極限 防水隔熱要面面俱到
長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭在燃料上下了很大功夫，不同于目前使用化學(xué)燃料的常規(guī)火箭，長(zhǎng)征五號(hào)運(yùn)載火箭采用無(wú)毒、無(wú)污染的液氫液氧作為推進(jìn)劑。
在其800多噸的身體里，90%是-252℃的液氫和-183℃的液氧，這已經(jīng)接近低溫的極限，“冰箭”一名正源于此。
為了防止空氣中的水蒸氣因低溫凝結(jié)，火箭設(shè)計(jì)必須考慮防水設(shè)施。
此外，液氫還具有極強(qiáng)的揮發(fā)性，而火箭發(fā)射時(shí)尾部火焰溫度將達(dá)到3000 攝氏度，如若隔熱不當(dāng)，液氫有可能消耗殆盡。
因此，必須通過(guò)絕熱方式對(duì)火箭進(jìn)行嚴(yán)格控制，需給“冰箭”穿上一件厚厚的“絕熱服”，保證火箭不被熱量“入侵”。
“低溫”是歷史的選擇
翻開(kāi)世界航天探索發(fā)展史，我們總能在一次次航天里程碑式的跨越發(fā)展中發(fā)現(xiàn)“低溫”的身影。
現(xiàn)代運(yùn)載火箭源于二戰(zhàn)期間德國(guó)研制的V2彈道導(dǎo)彈。這是運(yùn)載火箭技術(shù)開(kāi)啟航天新篇章的一個(gè)重要里程碑。歷史在推進(jìn)劑的首次選擇上使用了低溫液氧和酒精組合。
V2彈道導(dǎo)彈
如果說(shuō)德國(guó)的V2導(dǎo)彈還只是開(kāi)啟了運(yùn)載火箭的技術(shù)之門(mén)，那么蘇聯(lián)將初期同樣用于洲際導(dǎo)彈的R7改裝為運(yùn)載火箭，并成功發(fā)射了人類歷史上的首顆人造地球衛(wèi)星，就在真正意義上實(shí)現(xiàn)了運(yùn)載火箭的開(kāi)天之路。
這一次，歷史也選擇了低溫液氧和酒精作為推進(jìn)劑。
R7運(yùn)載火箭
1961年4月12日，世界第一位航天員加加林乘坐蘇聯(lián)東方號(hào)運(yùn)載火箭進(jìn)入地球軌道運(yùn)行并安全返回地面，人類載人航天史也由此拉開(kāi)大幕。這一次，載人的東方號(hào)運(yùn)載火箭推進(jìn)劑選擇的是低溫液氧和煤油組合。
東方號(hào)運(yùn)載火箭
上世紀(jì)60年代初期，美蘇太空競(jìng)賽將運(yùn)載火箭技術(shù)推到了登峰造極的地步。當(dāng)時(shí)，著名的土星5火箭一子級(jí)推進(jìn)劑選擇了低溫液氧和煤油組合，二子級(jí)和三子級(jí)推進(jìn)劑選擇了低溫液氫和低溫液氧組合。
土星5火箭
隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的進(jìn)步，人類對(duì)于太空的探索、應(yīng)用需求也日益增加。為了適應(yīng)這種需求，20世紀(jì)末，世界主要航天大國(guó)陸續(xù)開(kāi)展了新一代運(yùn)載火箭的研制。在此輪運(yùn)載火箭的更新?lián)Q代中，低溫火箭成了眾人的不二之選。
無(wú)論是美國(guó)的宇宙神5系列、德?tīng)査?系列，還是歐空局的阿里安5系列、俄羅斯的安加拉系列以及日本的H2A系列運(yùn)載火箭，均不約而同地選擇了或者液氫/液氧，或者液氧/煤油的推進(jìn)劑組合。世界航天運(yùn)載火箭經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展后，在液體推進(jìn)劑的使用方面呈現(xiàn)出大統(tǒng)一局面。
進(jìn)入21世紀(jì)，航天飛機(jī)陸續(xù)退役，以低成本為目標(biāo)的美國(guó)SpaceX公司研制的獵鷹1和獵鷹9運(yùn)載火箭，承擔(dān)起了空間站的貨物運(yùn)輸任務(wù)。獵鷹火箭推進(jìn)劑還是選擇了低溫液氧和煤油組合。
獵鷹9運(yùn)載火箭
可見(jiàn)，幾乎世界航天發(fā)展的走過(guò)的每一個(gè)重要節(jié)點(diǎn)上都有“低溫”的標(biāo)簽，這是歷史的選擇。
研發(fā)難度大 技術(shù)挑戰(zhàn)多
有一個(gè)叫做比沖的參數(shù)直接影響了運(yùn)載火箭的能力，這個(gè)參數(shù)和推進(jìn)劑組合類型直接相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，低溫推進(jìn)劑組合的比沖參數(shù)往往顯著高于常溫推進(jìn)劑組合。
從最初德國(guó)的V2導(dǎo)彈，到蘇聯(lián)的R7火箭發(fā)射首顆人造衛(wèi)星，再到美國(guó)成功實(shí)施的阿波羅計(jì)劃，以至后來(lái)的系列發(fā)展，人類從未因?yàn)榈蜏貛?lái)的技術(shù)困難而放棄過(guò)對(duì)低溫推進(jìn)劑的使用。
1993年，印度決定自行研制低溫液氧-液氫發(fā)動(dòng)機(jī)，期間經(jīng)歷了數(shù)次挫折，最終在20多年后的2014年才發(fā)射成功。
當(dāng)然，除了卓越的性能優(yōu)勢(shì)讓人們心甘情愿地接受低溫推進(jìn)劑所帶來(lái)的技術(shù)難題的話，那么相對(duì)于普遍具有毒性和強(qiáng)腐蝕性的常溫推進(jìn)劑而言，低溫推進(jìn)劑組合的無(wú)毒、無(wú)污染特性，也能讓我們說(shuō)服自己更多地采用這項(xiàng)技術(shù)。這也是當(dāng)前主流火箭均普遍選擇低溫推進(jìn)劑的另一個(gè)重要原因。
可以預(yù)見(jiàn)，未來(lái)，低溫火箭的數(shù)量將越來(lái)越多，地位也會(huì)越來(lái)越重要。
