火箭“加油”的那些事兒

錢航

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

火箭的推進劑

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

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

為了產(chǎn)生足夠的反作用力，火箭的推進劑至關(guān)重要，目前最常用的化學(xué)能火箭，可以分為液體推進劑火箭、固體推進劑火箭和固-液混合推進劑火箭。在我國現(xiàn)役的長征系列運載火箭中，除“長十一”火箭（CZ-11）外，其他均為液體運載火箭。

液體火箭是如何加注燃料的？

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

低溫推進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劑（如液氫），后者用于密度較大的推進劑（如液氧）。低溫推進劑易相變消耗，因此往往將推進劑加注操作置于火箭發(fā)射日，且盡量臨近發(fā)射時刻;另一方面，推進劑溫度波動會引起物性參數(shù)變化，對火箭發(fā)動機的性能產(chǎn)生影響。

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

1.小流量加注階段。該階段實現(xiàn)對箭上貯箱系統(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劑的加注精度，降低加注速度。

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

火箭發(fā)射點火時，為何會冒煙？

很多人都注意到，我國新一代運載火箭長征五號、長征七號（CZ-5、CZ-7）發(fā)射時，會冒出大量的白煙。這個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帶來少量白煙。

火箭發(fā)射點火時，哪里來的水蒸氣？

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

因此，新一代運載火箭的發(fā)射塔上，設(shè)有一個能容納600噸水的水箱，在火箭發(fā)射時，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400噸，這些水會在瞬間被汽化。

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

其實不是的，這是因為火箭使用的是低溫貯存的液氫液氧燃料，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)低于冰點的超低溫，在與外界空氣接觸時，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行保溫，但還是會看到少量白煙。