2016年，歷經(jīng)數(shù)載研制，我國新一代長征七號、長征五號運載火箭即將迎來首飛。

“長征七號”是為滿足中國載人空間站工程發(fā)射貨運飛船需求而研制的新一代中型液體運載火箭。從設(shè)計到生產(chǎn)，均采用全三維數(shù)字平臺，標(biāo)志著中國運載火箭邁入了全生命周期數(shù)字化的大門。

“長征五號”是中國目前研制規(guī)模最大、技術(shù)跨度最高的航天運輸系統(tǒng)工程。其近地軌道運載能力25噸，地球同步轉(zhuǎn)移軌道能力14噸，能將中國進入空間的能力提升2.5倍，并帶動牽引中國現(xiàn)役運載火箭動力系統(tǒng)升級換代。

相對于國內(nèi)現(xiàn)役長征系列火箭，長征七號、長征五號運載火箭全面大量使用液氧/煤油、液氫/液氧低溫推進劑組合，成為名副其實的低溫火箭，其中長征五號更是因為應(yīng)用了液氫，得“冰箭”之譽。

“冰箭”接近低溫極限 防水隔熱要面面俱到

長征五號運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，長征五號運載火箭采用無毒、無污染的液氫液氧作為推進劑。

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)計必須考慮防水設(shè)施。

此外，液氫還具有極強的揮發(fā)性，而火箭發(fā)射時尾部火焰溫度將達到3000 攝氏度，如若隔熱不當(dāng)，液氫有可能消耗殆盡。

因此，必須通過絕熱方式對火箭進行嚴格控制，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)代運載火箭源于二戰(zhàn)期間德國研制的V2彈道導(dǎo)彈。這是運載火箭技術(shù)開啟航天新篇章的一個重要里程碑。歷史在推進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

如果說德國的V2導(dǎo)彈還只是開啟了運載火箭的技術(shù)之門，那么蘇聯(lián)將初期同樣用于洲際導(dǎo)彈的R7改裝為運載火箭，并成功發(fā)射了人類歷史上的首顆人造地球衛(wèi)星，就在真正意義上實現(xiàn)了運載火箭的開天之路。

這一次，歷史也選擇了低溫液氧和酒精作為推進劑。

R7運載火箭

1961年4月12日，世界第一位航天員加加林乘坐蘇聯(lián)東方號運載火箭進入地球軌道運行并安全返回地面，人類載人航天史也由此拉開大幕。這一次，載人的東方號運載火箭推進劑選擇的是低溫液氧和煤油組合。

東方號運載火箭

上世紀(jì)60年代初期，美蘇太空競賽將運載火箭技術(shù)推到了登峰造極的地步。當(dāng)時，著名的土星5火箭一子級推進劑選擇了低溫液氧和煤油組合，二子級和三子級推進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)的進步，人類對于太空的探索、應(yīng)用需求也日益增加。為了適應(yīng)這種需求，20世紀(jì)末，世界主要航天大國陸續(xù)開展了新一代運載火箭的研制。在此輪運載火箭的更新?lián)Q代中，低溫火箭成了眾人的不二之選。

無論是美國的宇宙神5系列、德爾塔4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/煤油的推進劑組合。世界航天運載火箭經(jīng)過半個多世紀(jì)的發(fā)展后，在液體推進劑的使用方面呈現(xiàn)出大統(tǒng)一局面。

進入21世紀(jì)，航天飛機陸續(xù)退役，以低成本為目標(biāo)的美國SpaceX公司研制的獵鷹1和獵鷹9運載火箭，承擔(dān)起了空間站的貨物運輸任務(wù)。獵鷹火箭推進劑還是選擇了低溫液氧和煤油組合。

獵鷹9運載火箭

可見，幾乎世界航天發(fā)展的走過的每一個重要節(jié)點上都有“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

有一個叫做比沖的參數(shù)直接影響了運載火箭的能力，這個參數(shù)和推進劑組合類型直接相關(guān)。研究發(fā)現(xiàn)，低溫推進劑組合的比沖參數(shù)往往顯著高于常溫推進劑組合。

從最初德國的V2導(dǎo)彈，到蘇聯(lián)的R7火箭發(fā)射首顆人造衛(wèi)星，再到美國成功實施的阿波羅計劃，以至后來的系列發(fā)展，人類從未因為低溫帶來的技術(shù)困難而放棄過對低溫推進劑的使用。

1993年，印度決定自行研制低溫液氧-液氫發(fā)動機，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)勢讓人們心甘情愿地接受低溫推進劑所帶來的技術(shù)難題的話，那么相對于普遍具有毒性和強腐蝕性的常溫推進劑而言，低溫推進劑組合的無毒、無污染特性，也能讓我們說服自己更多地采用這項技術(shù)。這也是當(dāng)前主流火箭均普遍選擇低溫推進劑的另一個重要原因。

可以預(yù)見，未來，低溫火箭的數(shù)量將越來越多，地位也會越來越重要。