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今年4月,长征五号B遥二火箭在海南文昌航天发射场点火升空,将中国空间站的天和核心舱精准送入预定轨道; 6月,神舟十二号飞船在长征2F运载火箭的托举下顺利升空; 明年,问天实验舱和梦天实验舱也将发射。届时,中国T型空间站将建造完成。 在这其中,火箭作为“超级快递员”,扮演着重要的角色。
一、推进剂
想要将火箭送上天,火箭发动机起到了至关重要的作用。发动机的燃料包括燃烧剂和氧化剂,利用它们燃烧后的燃气产生反作用力将火箭推向太空,因此燃料也被称为推进剂。
从物理形态上讲,推进剂一般有两种形式,一种是液态物质,另一种是固态物质。为了直观区分不同的推进剂,我们将燃烧剂和氧化剂都为液态的发动机称为液体燃料发动机,或液体火箭发动机,工作时分别贮存在火箭氧化剂箱和燃料箱内的推进剂会被送入发动机的燃烧室进行反应;两者都为固态的发动机,称为固体燃料发动机,或固体火箭发动机,推进剂贮存在发动机的燃烧室内,可直接工作;如果燃烧剂和氧化剂中,一种为固体,另一种为液体,则称为固-液火箭发动机,或直接称其物质名称的火箭发动机,如氢氧火箭发动机。
如今航天工业上常用的固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等,液体推进剂则有四氧化二氮-肼类(包括偏二甲肼、一甲基肼、肼)、液氧-煤油、液氢-液氧等。这些火箭由于应用场景、应用对象各不相同,因此在使用时需要根据特定条件来选择。
液体、固体推进剂
二、储存年限
火箭的存储年限是一个重要的参考指标。
早期由于液体推进剂具有易挥发、易腐蚀的特点,存在安全隐患,因此加注液体推进剂是火箭发射前的最后一步。一旦加注阶段结束,整个发射塔就进入了发射程序,火箭进入待发射状态,例如常温推进剂四氧化二氮-偏二甲肼,在加注后的7天内必须发射。如果使用的是低温推进剂,如液氢-液氧,则时间更短,一般不超过24小时。
后期,经过技术改进,液体推进剂的腐蚀性变低,能在火箭燃料槽内储存较长时间。不过,虽然液体推进剂发储存年限有所延长,但与固体推进剂相比时间仍然很短。这是因为固体推进剂的添加方式与液体推进剂完全不同。固体火箭在生产总装的时候,推进剂已经贮存在发动机内,是一个固体的药柱,它不会挥发,也没有腐蚀性,因此保存时间可长达数年之久。
三、发射准备时间
如果把火箭比作出嫁的女儿,那么液体火箭在出嫁前需要很长时间来梳妆打扮。以长三甲系列火箭为例,发射前需要进行区域转场、多轮测试、全面检查、加注推进剂,完成各个环节需要20天左右的时间。即便是刷新中国航天一箭多星发射纪录的长征六号火箭,作为目前我国发射准备时间最短的液体火箭,其发射准备时间也需要7天。
而固体火箭似乎更急着出嫁。由于它的推进剂很早就固定在发动机里,进入发射场以后,只需要进行简单测试,就可以一飞冲天。例如长征十一号运载火箭,作为长征系列中第一型固体火箭,它的发射准备可在24小时以内完成。固体火箭如此快速的反应力,能很好地应对突发灾害后的通讯、观察等应急发射需求。
四、推动力
虽然固体火箭在发射准备、保存时间上都有优势,但说起运载能力,液体火箭则更强一些。液体火箭承载的“客人”大多都是“重量级”的,一般在1吨以上,例如开篇提及的中国空间站的天和核心舱,它是我国迄今为止发射的最大航天器,比国际空间站中任何舱段都大。为了把这个“大块头”顺利送入太空,我国采用了长征五号运载火箭,它也是我国目前运载能力最大的液体火箭。
相较之下,固体火箭的运载能力就要小一些,但这恰好符合小型卫星的发射需求。近年来,随着科技的进步,500千克以下的卫星发射需求不断增加,据测算,未来10年国内商业小卫星发射需求近2000颗,像长征十一号运载火箭这样的“小个子”,发射时间短、运营成本低,非常适合这样的商业任务。
五、控制方式
液体火箭还有一个特殊的优势,在于其可以控制发动机的开关,就像家里的燃气灶,不使用的时候可以关闭阀门,如果需要二次启动,再打开阀门即可。这是因为在液体火箭的发动机内,进入燃烧室的液体推进剂的流量是可调节的,它能实现多次重复点火的操作。而固体火箭则不一样,传统的固体装药是装填在燃烧室内部的,一经点燃,整个燃烧室内形成了一个高温高压环境,在这种情况下,除非推进剂用尽,不然很难熄火。即便真的实现熄火,想再次点火在技术上也是十分困难的。
正因为固体火箭和液体火箭各有各的特点,所以二者都有对方无法取代的优势。目前,不少国家在固体火箭和液体火箭的研发上齐头并进,有的还采用“固液混合”的方式实现技术突破。因为只有兼顾,才能满足更多的任务要求。
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