燃料接近低溫極限也叫“冰箭” 三層防寒服確保火箭體溫

　　未來我國探月采樣返回，建設載人空間站，進行火星探測，都離不開長征五號。同時，它也為我國未來更大的運載器，包括載人登月用百噸運載能力的大型貨運火箭及大型載人火箭奠定了技術基礎。

　　擔當重任的“胖五”為了適應新任務，帶來了以12項重大關鍵技術為代表的247項關鍵技術創新，運載能力達到或超過國外主流大型火箭。

　　“胖五”是個大力士

　　說長征五號是個大胖墩，絕對沒有言過其實，首先突破了“腰圍”。此前，我國火箭芯級直徑都是3.35米，助推器直徑為2.25米。“胖五”采用了全新的箭體結構，芯級直徑達5米，捆綁4個3.35米助推器。

　　大胖墩也是個“大力士”，具備近地軌道25噸、地球同步轉移軌道14噸的運載能力，相當於可以同時將16輛小轎車送入太空。其運載能力是家族其他成員運載能力的兩倍以上。我國未來航天工程計劃中20噸左右的長期有人照料的空間站、大型空間望遠鏡、返回式月球探測器、深空探測器、超重型應用衛星等發射任務，對長征五號來說都不在話下。

　　這么大的推力，使我國運載火箭的規模實現從中型到大型的跨越，運載能力達到或超過國外主流大型火箭，如阿裏安5、德爾塔4、宇宙神5等，火箭總體和部分分系統技術達到國際先進水平。

　　轉場可抵八到九級風

　　“胖五”還突破了許多其他技術，例如，其垂直轉運技術就非同一般。它的個頭在長征家族中最高，長約57米，有20層樓那么高。所以在垂直轉運時，利用半個足球場大的活動發射平台馱著它在2800米的無縫鋼軌“走”了約兩小時，即其垂直轉運速度不超過每分鍾30米。一路上，活動發射平台不僅要載著長征5號火箭出行，還要為火箭供氣、供電。這樣一來，火箭轉場中就可保持箭地連接不變，從而減少了發射區的工作，縮短了發射流程。

　　在轉場方法上，它與現役火箭也有著很大的不同。其他火箭是“挑擔子”，長征五號火箭是“抬轎子”，目的是“走”得更穩。

　　在火箭垂直轉場中，現役火箭芯一級的“腳下”共有4個支撐臂，用於讓火箭穩穩地“站”在“座駕”上。火箭助推器則是被芯一級“挑”著“走”，所以叫“挑擔子”。而長征五號火箭在轉場時，有12個支撐臂，但它們是被平均分布在4個助推器的“腳下”，因此是4個助推器“抬”著芯一級走，所以很像 “抬轎子”。其轉場可抵八到九級風，而且攔腰不用任何防風減載裝置。

　　大火箭運輸要找海港

　　長征五號系列運載火箭的直徑為5米，無法用火車運抵我國內陸發射場。而文昌衛星發射中心位於海南靠近海岸的地方，且有良好的港口，可以停泊運送大型火箭的船只。這就是在海南文昌發射長征五號運載火箭最重要的原因。它采用公路-海路-公路運輸方式，由兩艘專用運輸船將長征五號運載火箭從天津運至海南。我國未來的重型運載火箭直徑約10米，可能也將在海南文昌發射。

　　三層“防寒服”為冰箭保溫

　　長征五號運載火箭也稱冰箭，因為火箭肚子裏裝了滿滿的深低溫液氫液氧燃料，其中液氫溫度達-253℃、液氧達-183℃，幾乎達到低溫的極限。

　　火箭體內90%以上都是這種深低溫燃料，但火箭並不冷，它的外表面溫度依然可以保持在0℃以上，這是因為火箭的貯箱外穿著一層“防寒服”，讓火箭內部的儀器、設備、電纜等正常工作。

　　“防寒服”一共不到30毫米，卻是給火箭保持體溫的利器，“冰箭”不冷全靠它。

　　多材料高速撞成“棉花層”

　　“棉花”層全稱是“低密度全閉孔泡沫塑料絕熱層”，氫箱外表的“棉花”層厚20毫米，氧箱外表的“棉花”層厚10毫米。

　　這種棉花層由近10種原材料按配比高速撞擊混合反應而成，從液態原材料發生撞擊到固化成型只需10多秒。

　　中國航天科技集團703所防隔熱材料設計師申雄剛介紹說，這近10種材料分成兩組，都是液體，就像“哥倆好”膠水一樣，一旦混合，會在10秒鍾之內發生發泡反應、固化成型。

　　“長五”火箭“棉花”層與其他火箭不同，因為選用了新型發泡材料，其他材料的比例等也變了，申雄剛說，材料研制人員做了千餘次試驗，研究新型“棉花”層的性能。

　　穿衣前先拍“3D”照片

　　火箭貯箱表面有一些螺釘、口蓋等，按設計要求，這些突起等部位的絕熱材料要與其他部位同等厚度，703所為此打造的“試衣間”完美地解決了這個問題。

　　“試衣間”是個全密閉式溫濕度可調節操作室，裏面有噴塗設備、仿形加工設備等。火箭貯箱進入“試衣間”後，激光傳感器先給貯箱做一次型面測量，在通過計算機造型，就像給貯箱拍了一張“3D照片”，所有的形狀信息都包含在了這張“照片”中。

　　據此，在電腦中輸入噴塗路徑等參數，連接電腦的機械臂便開始運轉，在機械臂末端的噴槍裏有個碰撞混合腔，兩個組分的材料在這裏碰撞充分混合之後，就被噴塗在貯箱膠粘劑表面固化成型。

　　此時的絕熱材料只是毛坯，還要修成厚度一致的平整外觀，才能在外面鋪蘸膠玻璃纖維織物。

　　聽起來好像不難，但實際上火箭結構的壁板厚度僅為幾毫米，並且大尺寸薄壁工件不可避免的會有各種變形，而要在一個厚度幾毫米，但直徑3米多、長度10多米還容易變形的“大家夥”上，加工出一層厚度均勻僅10多毫米的材料，就像是在一個大氣球的表面雕刻花紋，稍有偏差氣球就破了。

　　如此複雜的工序下來，“冰箭”這款又薄又隔溫的“防寒服”就可以有效隔絕深低溫，讓“冰箭”不冷。

　　大火箭殼體“薄如蟬翼”

　　運載火箭這個龐然大物，身高數十米，體重幾十噸，人們可能會認為火箭外殼肯定特別厚重，才能足夠堅固。而事實上，常用的火箭殼體“蒙皮”的厚度都在1.2毫米至2毫米之間，而整流罩的“蒙皮”厚度僅有0.3毫米。如果把火箭比作一個成年人，把殼體比作成年人的外衣，那么這層外衣真的是“薄如蟬翼”。

　　火箭的外殼專業術語稱為“蒙皮”，其“蒙皮”的主要材料為鋁合金，這種材料強度高、耐腐蝕、重量輕、成本低，是做“蒙皮”的最佳選擇。鋁合金材料輕，可以為火箭減輕重量。“蒙皮”薄了，就可以裝更多的燃料，“舉”起更重的衛星。

　　中國航天科技集團一院的設計人員在設計時，會在“蒙皮”內部用一個個框環和桁條組成一個圓柱形的框架，把框架與“蒙皮”鉚接在一起，這就組成了火箭的一個殼段。 “火箭‘蒙皮’很薄、很軟，但根據受力分析進行科學計算、結構優化後，用鉚釘把‘蒙皮’和框架固定，每一殼段有上千個鉚釘，這樣就保證了整體結構的強度和剛度”。在發射過程中，無論受到哪個方向的外力，都不會影響火箭的飛行。

　　如果“蒙皮”過薄，靠不斷加密內部框架來保證堅固性的話，反而會使殼體重量增加，達不到預期效果。因此，設計人員要計算出“蒙皮”和框環、桁條的最佳配比，既保證用最少的材料，又保證箭體堅固、可靠。

　　隨著技術進步，設計人員計算得也越來越精確，火箭結構也越來越優化，“蒙皮”的厚度也隨之變得越來越薄。“長五”火箭整流罩的‘蒙皮’面板厚度只有0.3毫米，在相同剛度下，火箭殼段的重量將減少10%以上”。這樣，火箭就在保證堅固的前提下，承載更多的燃料，把有效載荷順利送入軌道。

　　棉花層

　　“防寒服”中的棉花層是低密度材料，有10至20毫米厚，這層“棉花”有裏有面，因為如果它直接塗在貯箱金屬表面，貯箱受冷收縮時，“棉花層”因收縮性能比金屬小會導致脫粘，影響隔溫效果。

　　“裏”

　　“防寒服”的“裏”是一層膠粘劑，不到1毫米厚，比“棉花”層更適應金屬材料的熱脹冷縮，且摩擦力大，能同時與金屬材料的貯箱和“棉花”完美貼合，設計人員又叫它“緩沖層”。

　　“面”

　　“防寒服”的“面”是一層蘸膠玻璃纖維織物，0.9毫米厚，它也叫“保護層”，可以保護“棉花”不吸收外界水氣、不被損壞，更好地發揮隔溫性能。

　　據介紹，在“胖五”800噸重的身體裏，90%是溫度為-252℃的液氫和-183℃的液氧，這已經接近低溫的極限。

　　液氫是火箭化學推進劑中能量最高的燃料，氫氧發動機比現有常規燃料發動機性能提高約50%，是當前已知推進效率最高的化學推進劑火箭發動機。

　　本版撰文 北京晨報記者 韓娜