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揭秘首飞前的长征七号:有自己的专属“脐带塔”

2019/10/10 1:36:56

揭秘首飞前的长征七号:有自己的专属“脐带塔”

作为我国最新研制的新一代中型运载火箭,长征七号的首飞备受瞩目。今天,中国青年报·中青在线记者来到海南文昌航天发射场实地探访长征七号,并采访相关专家,揭秘首飞前的大火箭。

  

近地轨道运载能力最大

长征七号作为我国目前近地轨道运载能力最大的火箭,它的近地轨道运载能力达到13.5吨,是以往火箭的1.5倍。航天科技集团运载火箭研究院长征七号火箭副总指挥张涛说,长征七号运载火箭将大大提升中国航天的综合实力,加速创建航天强国的步伐。

  

张涛介绍,长征七号运载火箭是我国目前发射占位最短的火箭,为了适应海南多台风的特点,也为了未来的高密度发射准备,长征七号需要具备在发射区快速发射的能力,与以往垂直转运只运输火箭不同,长征七号采用了更大、更快的新型活动发射平台,火箭和设备同时垂直转运,到达发射工位后不再需要测试,简单准备后就能够发射。

  

此外,长征七号是我国首次在海洋环境发射的火箭,海南发射场与内陆发射场最大的不同是湿热多雨、台风频繁的海洋气候,而火箭上的许多精密仪器对外界环境是非常敏感的。

  

因此长征七号的研发中有一个专门的攻关项目就是海南自然环境的适应技术,科研人员开展了许多试验并最终通过了严格的考核验证,所以现在长征七号具备在海南复杂气象、气候环境下全天候的发射能力。

  

500余吨重 超九成是燃料

  

火箭往往都是“钢筋铁骨”的大个子,体重达几百吨,不过这么个大家伙,其体重的90%甚至更多都奉献给了燃料。以长征七号为例,其总体重为500余吨,箭体外壳、电缆、仪器等重量加在一起只有50余吨,其余都是液氧煤油推进剂的重量。

  

按照航天科技集团运载火箭技术研究院专家的说法,火箭是卫星等载荷通往太空的“专车”,对这辆“专车”来说,车本身的自重越小越好,能提供动力的燃料越多越好。这样就可以把尽可能多的“运量”留给“乘客”。

  

留出来的“运量”对卫星等载荷来说意义重大。到太空一次不容易,它们可以增加一些功能件、多携带一些试验产品及燃料等,在太空做更多的事情。

  

航天科技集团运载火箭技术研究院总体部设计人员徐利杰说:“燃料在火箭整个体重中比重越大,火箭的结构效率越高,说明设计越合理。”他说,在设计中,他们把火箭的外壳、电缆、仪器等重量称为“死重”,要把这些部件尽可能设计得简洁、功能强大,以减轻重量。

  

给火箭加注燃料就像我们给车加油一样,会尽可能“加满”。太空那么大,让火箭“吃饱”了再出发。

  

加注完燃料的火箭“脚重头轻”,芯一级加上助推器要比芯二级重3倍多。以长征七号火箭为例,加注后,芯一级和助推器共重470余吨,芯二级重100余吨。高度越低,地球引力越大。点火飞行后,助推器、芯一级、芯二级的燃料依次完成使命,从“星箭组合体”上脱落。

  

助推器和芯一级的燃料,能将卫星等载荷送到近90公里的高空。这时候,火箭的体重只有100余吨,只剩原体重的不到1/5。芯二级用芯一级1/5重量的燃料,可以将卫星等载荷再送高110公里,这时候火箭完成使命,功成身退。越到高空,“星箭组合体”重量越轻,火箭飞起来越省劲儿。

  

其实,每次火箭发射,完成使命脱落的燃料箱中,都有燃料剩余,并不是火箭不需要它们了,而是为了火箭的安全,必须抛弃它们,这部分燃料有800余公斤。

  

在火箭飞行过程中,燃料经过出流装置供给到发动机入口,随着燃料消耗,增压气体会源源不断地输送进燃料箱,保持燃料箱结构及发动机入口推进剂的压力。

  

但当燃料液面降到箱底附近时,如果出现漩涡、塌陷等,会造成气体进入发动机入口,这样极易发生发动机故障甚至爆炸。为了防止这种现象,只有在燃料还没有用完时,提前关机、脱离。

  

在设计人员的认知里,这部分燃料的重量也是“死重”,怎么让燃料摆脱“死重”的命运呢?2013年,运载火箭技术研究院总体部研制出一种高效防止漩涡、塌陷的出流装置,可以减少一半的燃料浪费,占燃料总量的千分之八,大大提高了有效载荷量,尽量让火箭不浪费一分力气。

  

一枚冷酷的“冰箭”

  

记者在海南文昌采访期间获悉,长征七号运载火箭使用的推进剂液态氧的温度极低,因此被航天人称之为“冰箭”。

  

有多“冰”?长征七号加注的推进剂是液氧、煤油,是低温燃料,其中液氧的温度达零下183摄氏度。

  

低温燃料加注后,试验现场的发射塔就像“大冷库”,贮箱隔板外全是厚厚的霜,航天科技集团运载火箭技术研究院设计师朱平平告诉记者,试验队员每次去检查,都冻得瑟瑟发抖,头发和眉毛上都会结一层厚厚的霜。

  

为防止推进剂贮箱外表面温度过低导致的结冰,以及极低温度对仪器、电缆等的影响,低温贮箱外表面需要制备一层1~2厘米厚的密度极低的隔热结构,就像给火箭披上了一件由该院研制的“防寒服”。

  

该院科研人员称,有了这件“防寒服”,尽管推进剂温度如此之低(液态氧低至零下183摄氏度),但是火箭外表面温度依然可以保持在0℃以上。

  

有自己的专属“脐带塔”

  

胎儿在母体里的10个月,脐带起到了至关重要的作用,为胎儿汲取养料、排除废料。在长征七号火箭到达发射场之后,也有着这样重要的“脐带”,与母体内的脐带有着异曲同工之妙,它就是火箭的加注管道、供气管道、空调管道以及电缆等等,它们向火箭源源不断地输送燃料、供气以及调节体温。

  

据了解,现役火箭的管道、电缆都在发射塔架上,这些“脐带”要一直工作到火箭起飞前,进行发射前的最后补加,然后由地面遥控使加注管道自动脱落。此外,控制系统的一些电缆,动力装置系统的一些检测、吹除、增压管线,以及一些箭内环境空调管线都要在火箭发射前完成所有工作,直到起飞前才从箭上脱落。

  

不过,根据航天科技集团运载火箭技术研究院专家的介绍,如果连接器不能按时、可靠脱落,就要贻误发射,甚至影响发射成败。如今,长征七号运载火箭有了专门的承载火箭加注管道、供气管道的装置——脐带塔。

  

长征七号地面设备副主任设计师吴梦强告诉记者,长征七号将首次在非内陆发射场执行发射任务,而我国台风预测能力仅能提前1周,以往火箭所有管路连接以及测试验证都是在发射阵地进行,大概需要20天,如今天气的不确定性,火箭不能在发射阵地如此长时间工作,为此,设计人员专门设计了脐带塔,在技术阵地完成相关技术的验证和试验后,火箭转场过程中可以保证所有连接状态不变,到发射阵地后直接进行加注发射,缩短在火箭发射阵地的测试时间。

 

如今,长征七号脐带塔已经在海南发射场展露真容,坐落在活动发射平台上。

  

吴梦强说,长征七号脐带塔的两侧装有6根摆杆,内部铺设有加注、供气、空调管路和箭上众多控制电缆,以及配气台和中频电源房间,因此它的结构及组成是最复杂的,这也意味着我国运载火箭的研制技术又迈出了一大步。