環(huán)球簡訊:火箭推進(jìn)劑加注：看似簡單背后大有學(xué)問

近日，美國火神運(yùn)載火箭先后進(jìn)行了芯一級和半人馬V上面級的貯箱低溫加注測試，為該火箭計劃在今年5月實(shí)施首次發(fā)射鋪平了道路。眾所周知，雖然火箭加注只是向空貯箱里加滿液體燃料，看起來也非常簡單，但實(shí)際上大有學(xué)問，是液體火箭研制試驗(yàn)和發(fā)射準(zhǔn)備中至關(guān)重要的一步。那么，火箭推進(jìn)劑加注有哪些特點(diǎn)呢？

(資料圖片僅供參考)

火神運(yùn)載火箭貯箱低溫加注測試（照片來自美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司）

液體火箭的“血液”

就像汽車需要燒油才能風(fēng)馳電掣地奔馳一樣，火箭也需要燃料才能飛向太空。液體運(yùn)載火箭使用的液體推進(jìn)劑和汽車使用的汽油、柴油作用相近，液體推進(jìn)劑在火箭發(fā)動機(jī)的燃燒室中快速燃燒，生成大量高溫高壓的燃?xì)?，推動火箭發(fā)射升空。毫不夸張地說，火箭推進(jìn)劑是液體運(yùn)載火箭的“血液”。

汽車發(fā)動機(jī)在大氣層內(nèi)工作，使用汽油、柴油等燃料與大氣中的氧氣進(jìn)行燃燒反應(yīng)。然而，運(yùn)載火箭大部分飛行時間處在大氣層外，沒有天然的氧氣可以利用，推進(jìn)劑不是自身能分解燃燒，就是使用氧化劑燃燒。

液體推進(jìn)劑根據(jù)成分可分為單組元、雙組元和多組元等類型。單組元推進(jìn)劑的代表是過氧化氫和肼等化合物，它們都能分解放熱生成高溫氣體；雙組元一般是燃料和氧化劑的組合，常見的有偏二甲肼和四氧化二氮、液氧煤油、液氧甲烷和液氧液氫等；多組元推進(jìn)劑較少見，例如蘇聯(lián)研制的RD-701發(fā)動機(jī)，起飛時使用液氧、煤油和液氫3種成分，就是典型的三組元發(fā)動機(jī)。

如今，運(yùn)載火箭一般都使用雙組元推進(jìn)劑，而其中無論是偏二甲肼和四氧化二氮，還是液氧和液氫都不算穩(wěn)定，前兩者有毒，腐蝕性強(qiáng)；后兩者容易揮發(fā)，不易存放。

考慮到液體推進(jìn)劑易燃易爆和容易揮發(fā)泄漏等特點(diǎn)，液體火箭一般不會帶著推進(jìn)劑進(jìn)行運(yùn)輸，火箭出廠時貯箱是空的，運(yùn)輸全程也是如此，直到發(fā)射前才會向貯箱里加注推進(jìn)劑，是液體運(yùn)載火箭發(fā)射流程中必不可少和最重要的環(huán)節(jié)之一。

加注復(fù)雜、難度高

給火箭加注推進(jìn)劑具有很高的難度。以偏二甲肼和四氧化二氮常規(guī)組合為例。它們在常溫下可以長期貯存，具有性能穩(wěn)定和處理方便等優(yōu)點(diǎn)，但偏二甲肼易揮發(fā)，易被人體皮膚吸收，不僅是致癌物，還有劇毒，對人體危害極大，四氧化二氮也有毒和擁有很強(qiáng)的腐蝕性。

常規(guī)推進(jìn)劑有毒，而液氧和液氫等推進(jìn)劑的溫度又非常低，液氧溫度低至零下180攝氏度，甲烷溫度為零下182.5攝氏度，液氫更是低至零下250攝氏度。

空氣在超低溫下會固化，常見的金屬也會變脆，容易出現(xiàn)多余固體物質(zhì)阻塞火箭的氣液管路。超低溫的推進(jìn)劑直接加注到常溫的火箭貯箱中，兩者溫差達(dá)到200多攝氏度，堪比冰水潑到燒得發(fā)紅的鐵板上，會快速汽化生成大量蒸汽，導(dǎo)致貯箱內(nèi)部壓力過高，從而使火箭發(fā)射面臨風(fēng)險。液氫又極易揮發(fā)和泄漏，少量氫氣就能和空氣形成易燃易爆的混合物，這都為火箭推進(jìn)劑加注帶來了很大挑戰(zhàn)。

常規(guī)火箭燃料的加注難度主要在于防止劇毒推進(jìn)劑泄漏帶來的環(huán)境污染和人身傷害。肼類和四氧化二氮都有毒，還容易揮發(fā)泄漏，加注人員需要佩戴工業(yè)防毒面具和防護(hù)手套，穿上專用工作服，保護(hù)呼吸器官和皮膚。

低溫推進(jìn)劑的溫度極低又極易汽化，加注系統(tǒng)不僅要適應(yīng)超低溫的苛刻工況，采取相應(yīng)的隔熱、絕熱措施，還要及時排放蒸發(fā)的氣體來防止貯箱超壓。

低溫推進(jìn)劑加注時，為減少揮發(fā)泄漏的影響，一般是直到發(fā)射日才開始加注，而且通常是先小流量對管路和貯箱進(jìn)行預(yù)冷，再大流量進(jìn)行貯箱加注，最后還要持續(xù)補(bǔ)加到火箭發(fā)射前數(shù)分鐘或發(fā)射時再斷開管路。

不管是常規(guī)推進(jìn)劑加注還是低溫推進(jìn)劑加注，都是具有高度危險性的操作。

不斷改進(jìn)加注技術(shù)

隨著航天技術(shù)的發(fā)展，液氧煤油、液氧甲烷和液氧液氫等低溫推進(jìn)劑占據(jù)了舞臺中央，而常規(guī)的肼類燃料正在逐漸退出歷史舞臺。同時，推進(jìn)劑的加注技術(shù)也在不斷發(fā)展，其中，加注過程自動化是最重要的發(fā)展趨勢。

無論是常規(guī)有毒的肼類推進(jìn)劑，還是低溫的氫氧甲烷等推進(jìn)劑，都有容易揮發(fā)泄漏和易燃易爆的問題，而傳統(tǒng)加注方式需要操作人員冒著生命危險完成加注管路的對接和進(jìn)行加注及完成火箭人工解鎖，直到發(fā)射前15分鐘左右才撤離發(fā)射塔架。加注人員作為最后撤離火箭發(fā)射塔架的人，工作的危險性很高，被稱為“刀尖上的舞者”。

為減少火箭發(fā)射前的操作，提高加注過程的可靠性和加注人員的安全性，國內(nèi)外科研人員都積極開展火箭加注過程自動化研究。通過對加注管路自動對接與脫離的充分研究和分析，研制高度自動化的集成式對接脫落連接器，結(jié)合減少連接器數(shù)量、簡化電氣接口等對箭體和加注系統(tǒng)的綜合改進(jìn)，基本實(shí)現(xiàn)了全程無人值守的自動加注發(fā)射能力。

無人值守的自動加注能力不僅提高了加注人員操作的安全性，也提高了加注工作的便利性和靈活性。通過自動加注簡化發(fā)射準(zhǔn)備工作，能將發(fā)射準(zhǔn)備時間降低到1天之內(nèi)，對于保證火箭發(fā)射窗口具有重要意義。對于重復(fù)使用的運(yùn)載火箭來說，縮短發(fā)射流程有利于提高火箭的周轉(zhuǎn)效率。

自動加注技術(shù)實(shí)現(xiàn)后，還出現(xiàn)了深度過冷加注技術(shù)。以美國獵鷹9火箭為例，它使用了預(yù)冷煤油和過冷液氧，通過將煤油和液氧降低到更低的溫度，提高煤油和液氧的密度，大幅度提高了推進(jìn)劑加注的質(zhì)量，火箭運(yùn)載能力也因此提高10%以上。

全過冷加注技術(shù)需要盡可能快地提高加注速度，因而取消了先小流量加注的步驟，對管路和貯箱預(yù)冷后直接進(jìn)行大流量加注，簡化了加注流程并縮短了加注時間。

另外，隨著航天技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，推進(jìn)劑在軌加注也逐漸提上日程，自動加注和深冷加注等技術(shù)的出現(xiàn)，也為航天器低溫推進(jìn)劑的在軌加注奠定了基礎(chǔ)。（ 作者：張雪松）

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