火箭“加油”的那些事兒

錢航

自古以來，用兵有個(gè)老規(guī)矩：“兵馬未動(dòng)，糧草先行”。中國(guó)古代的戰(zhàn)爭(zhēng)基本都是靠人力，在那個(gè)冷兵器時(shí)代，將士們征戰(zhàn)四方長(zhǎng)途跋涉要消耗一定的體力，糧草在軍隊(duì)作戰(zhàn)中具有舉足輕重的地位。那么對(duì)于現(xiàn)代探索太空的長(zhǎng)征系列家族來說，火箭的“糧草”又是什么呢？火箭是如何“加油”的？

火箭的推進(jìn)劑

現(xiàn)代火箭看似復(fù)雜，原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單，早在17世紀(jì)，牛頓就很清晰地進(jìn)行了描述：如果以一定速度向后拋出一定質(zhì)量，就會(huì)受到一個(gè)反作用力的推動(dòng)，向前加速。

現(xiàn)代火箭向后拋出一定質(zhì)量是靠火箭發(fā)動(dòng)機(jī)來完成的?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)點(diǎn)火以后，推進(jìn)劑（液體的或固體的燃料和氧化劑）在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室里燃燒，產(chǎn)生大量高壓氣體;高壓氣體從發(fā)動(dòng)機(jī)噴管高速噴出，對(duì)火箭產(chǎn)生的反作用力，使火箭沿氣體噴射的反方向前進(jìn)。

為了產(chǎn)生足夠的反作用力，火箭的推進(jìn)劑至關(guān)重要，目前最常用的化學(xué)能火箭，可以分為液體推進(jìn)劑火箭、固體推進(jìn)劑火箭和固-液混合推進(jìn)劑火箭。在我國(guó)現(xiàn)役的長(zhǎng)征系列運(yùn)載火箭中，除“長(zhǎng)十一”火箭（CZ-11）外，其他均為液體運(yùn)載火箭。

液體火箭是如何加注燃料的？

我國(guó)新一代運(yùn)載火箭廣泛采用液氫、液氧低溫推進(jìn)劑，典型的就如長(zhǎng)征五號(hào)系列（CZ-5、CZ-5B）。推進(jìn)劑加注是液體運(yùn)載火箭發(fā)射組織過程的重要操作，其目的是將地面貯存的推進(jìn)劑按需求輸送至運(yùn)載火箭貯箱中。相對(duì)于常溫推進(jìn)劑，低溫推進(jìn)劑具有超低溫、易相變等特點(diǎn)，加注過程更為復(fù)雜。

低溫推進(jìn)劑的加注方法主要分為擠壓式加注和泵壓式加注兩種。前者常用于密度較小的推進(jìn)劑（如液氫），后者用于密度較大的推進(jìn)劑（如液氧）。低溫推進(jìn)劑易相變消耗，因此往往將推進(jìn)劑加注操作置于火箭發(fā)射日，且盡量臨近發(fā)射時(shí)刻;另一方面，推進(jìn)劑溫度波動(dòng)會(huì)引起物性參數(shù)變化，對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能產(chǎn)生影響。

為了確保運(yùn)載火箭性能，加注過程往往會(huì)對(duì)推進(jìn)劑溫度提出較強(qiáng)的約束性要求。然而，貯箱內(nèi)推進(jìn)劑溫度實(shí)際又受到加注過程及停放時(shí)間的顯著影響。因此，確定低溫推進(jìn)劑加注策略是低溫液體運(yùn)載火箭發(fā)射流程組織過程中最重要的環(huán)節(jié)之一。鑒于低溫推進(jìn)劑的特性和系統(tǒng)實(shí)際需要，目前國(guó)內(nèi)外運(yùn)載火箭在低溫推進(jìn)劑的加注過程上普遍按照典型的4個(gè)階段實(shí)施：

1.小流量加注階段。該階段實(shí)現(xiàn)對(duì)箭上貯箱系統(tǒng)的預(yù)冷，避免貯箱處于熱狀態(tài)下的急冷，同時(shí)防止貯箱超壓。

2.大流量加注階段。貯箱預(yù)冷至一定程度后，為減少加注時(shí)間而提高加注流量。

3.減速加注階段。加注至一定液位后為了確保推進(jìn)劑的加注精度，降低加注速度。

4.停放補(bǔ)加階段。為適應(yīng)箭上飛行需要，補(bǔ)充停放期間蒸發(fā)消耗的推進(jìn)劑。

火箭發(fā)射點(diǎn)火時(shí)，為何會(huì)冒煙？

很多人都注意到，我國(guó)新一代運(yùn)載火箭長(zhǎng)征五號(hào)、長(zhǎng)征七號(hào)（CZ-5、CZ-7）發(fā)射時(shí)，會(huì)冒出大量的白煙。這個(gè)白煙主要由兩部分構(gòu)成，大部分是水蒸氣，還有一小部分是燃料燃燒后產(chǎn)生的。新一代運(yùn)載火箭采用無毒無污染的液氫、液氧、煤油作為燃料，液體和氣體狀態(tài)的氧都是無色的，燃料的不充分燃燒會(huì)帶來少量白煙。

火箭發(fā)射點(diǎn)火時(shí)，哪里來的水蒸氣？

新一代火箭點(diǎn)火發(fā)射時(shí)，箭體尾部噴出的火焰“直擊”發(fā)射平臺(tái)，使發(fā)射平臺(tái)表面溫度瞬間接近3000攝氏度，即使火箭發(fā)射平臺(tái)由特殊材料制成，表面有防熱涂層，也很難承受如此高的溫度。

因此，新一代運(yùn)載火箭的發(fā)射塔上，設(shè)有一個(gè)能容納600噸水的水箱，在火箭發(fā)射時(shí)，水箱中的水通過“大流量噴水降溫降噪系統(tǒng)”技術(shù)，在火箭飛到5米高以后向箭體尾部火焰中心噴水，噴水量達(dá)400噸，這些水會(huì)在瞬間被汽化。

不僅如此，新一代運(yùn)載火箭等待起飛和飛行時(shí)，火箭側(cè)壁也會(huì)冒出絲絲白煙。在火箭首飛時(shí)，有不少觀眾第一次看到這種情景，擔(dān)心是不是燃料泄露。

其實(shí)不是的，這是因?yàn)榛鸺褂玫氖堑蜏刭A存的液氫液氧燃料，液氫溫度為零下253攝氏度，液氧為零下183攝氏度，所以新一代運(yùn)載火箭又被成為“冰箭”。這些燃料使得火箭內(nèi)部是遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于冰點(diǎn)的超低溫，在與外界空氣接觸時(shí)，就好像夏天在屋里放了一塊冰。雖然火箭外殼有真空隔絕層進(jìn)行保溫，但還是會(huì)看到少量白煙。