傳統(tǒng)認(rèn)知里,大塊頭才有大力量。不過(guò),今天中國(guó)在海南文昌發(fā)射的這枚長(zhǎng)征七號(hào)火箭,并非完全如此。與我國(guó)之前的主力火箭相比,長(zhǎng)征七號(hào)火箭在自身重量增加20%的情況下,運(yùn)力居然增加了70%!它是怎么做到的呢?還有,長(zhǎng)七發(fā)射時(shí),周?chē)尤灰獓娚?00噸水,這又是為什么?

  相比我國(guó)以往的火箭,重量從500噸增加到600噸,而其運(yùn)力從8噸提升到14噸。
燃料很給力
  我國(guó)以前大都是使用偏二甲肼和四氧化二氮作為火箭的推進(jìn)劑。
  偏二甲肼是一種氧化劑,非常容易燃燒和爆炸,一直以來(lái),常用作火箭燃料。然而,偏二甲肼有劇毒,還致癌,這是它最大的缺點(diǎn)。作為氧化劑的四氧化二氮,也是有毒的,還有強(qiáng)烈的腐蝕性。


俄羅斯使用偏二甲肼和四氧化二氮作為燃料,發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)紅煙滾滾。

  而長(zhǎng)征七號(hào),全部使用液氧和煤油,無(wú)毒環(huán)保,燃燒后的主要產(chǎn)物是水和二氧化碳。


早前發(fā)射的長(zhǎng)征六號(hào)燃料為液氧和煤油,燃燒的主要產(chǎn)物是水汽,發(fā)射現(xiàn)場(chǎng)白煙滾滾

  液氧和煤油的另一大優(yōu)點(diǎn)是便宜。把空氣冷凍成液體后再分離,就能制成了液氧,因此,一噸液氧的價(jià)格還不到2000元。另外,煤油也不貴。但偏二甲肼就不同了,它的價(jià)格高達(dá)每噸8萬(wàn)元,四氧化二氮的價(jià)格為每噸1.7萬(wàn)元。


液氧為淺藍(lán)色液體

  便宜的燃料可以降低火箭發(fā)射成本。以發(fā)射神舟飛船的長(zhǎng)征二F火箭為例,如果使用液氧煤油,那么每次發(fā)射可以節(jié)約推進(jìn)劑費(fèi)用上千萬(wàn)元。
  值得注意的是,液氧溫度約為零下180攝氏度,灌入后,過(guò)不了多久,箭體上就會(huì)有大量凝結(jié)的水珠,尤其是在海南文昌這種高熱高濕的地方,水汽凝結(jié)現(xiàn)象更為嚴(yán)重。為了解決此問(wèn)題,長(zhǎng)征七號(hào)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì),箭體可防水,也正因此,長(zhǎng)征七號(hào)甚至可在中雨的天氣狀況下進(jìn)行發(fā)射。
  不少人難免有疑問(wèn),液氧和煤油既然如此便宜環(huán)保,為何以前發(fā)射火箭卻沒(méi)有使用呢?答案當(dāng)然是發(fā)動(dòng)機(jī)——可以說(shuō),沒(méi)有我國(guó)液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)的研制成功,就沒(méi)有今日長(zhǎng)征七號(hào)的大推力。
先進(jìn)的發(fā)動(dòng)機(jī)

長(zhǎng)征五號(hào)(左)、長(zhǎng)征七號(hào)(右)(陳霄 攝)

  長(zhǎng)征七號(hào)的4個(gè)助推器,每個(gè)使用一臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī),火箭芯一級(jí)使用兩臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī),每臺(tái)YF-100液氧煤油發(fā)動(dòng)機(jī)能產(chǎn)生120噸推力。高性能的液氧煤油火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是長(zhǎng)征七號(hào)在自身體重增加不大的情況下,運(yùn)力大幅提高的根本原因之一。

圖為YF-100發(fā)動(dòng)機(jī),可提供120噸的推力,而長(zhǎng)征2F火箭發(fā)動(dòng)機(jī)每臺(tái)只能提供75噸的推力。我國(guó)重載火箭長(zhǎng)征五號(hào),又叫大火箭,也將使用YF-100發(fā)動(dòng)機(jī)。
  另外,火箭裝載的燃料越多,運(yùn)力越大,長(zhǎng)征七號(hào)高達(dá)53米,而其自身鋼材重量只占到10%,這也是其運(yùn)力大增的原因之一。
海南發(fā)射場(chǎng)


中國(guó)4大航天發(fā)射場(chǎng)

  中國(guó)目前有4大航天發(fā)射基地,緯度最低的當(dāng)屬海南文昌發(fā)射中心,而這個(gè)發(fā)射場(chǎng)執(zhí)行的第一次火箭發(fā)射任務(wù)就是今天的長(zhǎng)征七號(hào)發(fā)射,意義重大。
  發(fā)射“天宮1號(hào)”的時(shí)候,由于火箭4.2米直徑的整流罩超過(guò)了鐵路涵洞的寬度,最后是把整流罩分成幾段來(lái)運(yùn)輸。長(zhǎng)征七號(hào)的整流罩直徑也是4米多長(zhǎng),但由于它是從天津直接運(yùn)往海南,就不存在直徑超限的問(wèn)題,它可以通過(guò)集裝箱整體運(yùn)輸。
  眾所周知,地球表面的所有物體均沿著緯線的方向隨著地球自西向東轉(zhuǎn)動(dòng),由于這個(gè)原因,火箭在地面未發(fā)射之前,其實(shí)就已經(jīng)具有了一個(gè)和地球自轉(zhuǎn)速度相同,并且是向東的速度。如果火箭的發(fā)射方向是向東,那么它就可以利用這個(gè)本來(lái)就有的速度使自身迅速加速。
  然而,地球表面各處的線速度是不同的,南北極點(diǎn)的線速度最小,越靠近赤道,線速度越大。
  對(duì)于地球來(lái)說(shuō),赤道上的線速度最大,為每秒456米,如果在赤道發(fā)射火箭,則最節(jié)省燃料。
  能節(jié)省到什么程度呢?咱們可以通過(guò)法國(guó)的庫(kù)魯航天發(fā)射場(chǎng)和哈薩克斯坦的拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)來(lái)對(duì)比一下:

庫(kù)魯航天發(fā)射場(chǎng)是法國(guó)目前唯一的航天發(fā)射場(chǎng),也是歐空局開(kāi)展航天活動(dòng)的主要場(chǎng)所,位于南美洲東北部,為法國(guó)海外最大的省份法屬圭亞那。
  法國(guó)的庫(kù)魯航天發(fā)射場(chǎng)緯度只有5.23度,薩克斯坦的拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)緯度是北緯46度。
  如果一枚火箭是在庫(kù)魯航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射,它的地球同步轉(zhuǎn)移軌道運(yùn)載能力要比在拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射高出20%。
  假如發(fā)射基地的緯度比拜科努爾航天發(fā)射場(chǎng)緯度更高,比如說(shuō)北緯70度,那它的運(yùn)載能力會(huì)比在庫(kù)魯航天發(fā)射場(chǎng)發(fā)射時(shí)減少一半。


中國(guó)海南文昌衛(wèi)星發(fā)射中心位于北緯19度36分,雖然它還不算很靠近赤道,但目前來(lái)說(shuō)它是我國(guó)最靠近赤道的發(fā)射場(chǎng)。

發(fā)射臺(tái)要噴400噸水降溫


發(fā)射臺(tái)噴水試驗(yàn)(圖片來(lái)自劉涵)

  跟以前的火箭發(fā)射不同,發(fā)射長(zhǎng)征七號(hào)時(shí),發(fā)射平臺(tái)會(huì)在20秒內(nèi)噴出400噸水降溫和降噪。
  火箭點(diǎn)火時(shí),尾焰直沖發(fā)射平臺(tái),讓其瞬間接近3000攝氏度。如果不對(duì)其進(jìn)行降溫保護(hù),集多種設(shè)備于一身的多功能發(fā)射臺(tái)勢(shì)必將會(huì)因高溫遭到損壞。
  據(jù)“大流量噴水降溫降噪系統(tǒng)”技術(shù)負(fù)責(zé)人陳勁松介紹,這400 噸水噴出去后,有30%的水將汽化到大氣中,水分蒸發(fā)將帶走大量的熱。
  除了降溫,400噸水的另一個(gè)重要功能是降低噪聲。


圖為美國(guó)肯尼迪航天中心39號(hào)發(fā)射臺(tái)正在進(jìn)行噴水試驗(yàn)。

火箭發(fā)射時(shí),39號(hào)發(fā)射臺(tái)上的1135.6噸水將會(huì)在數(shù)十秒內(nèi)被清空。

  火箭點(diǎn)火時(shí),噪音巨大,而此時(shí)火箭的上升速度又極慢,所以,能量巨大的聲波有可能會(huì)破壞火箭本身。為了減弱噪音,需要在其發(fā)射時(shí)從一定的角度大量噴水。美國(guó)肯尼迪航天中心的發(fā)射臺(tái),噴水后能在原有基礎(chǔ)上減弱40分貝左右。
長(zhǎng)七是未來(lái)主力
  我國(guó)新一代運(yùn)載火箭中,長(zhǎng)征七號(hào)既不像長(zhǎng)征六號(hào)那般小,也不像長(zhǎng)征五號(hào)那般大,它處在中間位置,屬于全新研制的新一代中型運(yùn)載火箭,這也決定了我國(guó)未來(lái)的大量發(fā)射任務(wù)將由長(zhǎng)征七號(hào)來(lái)承擔(dān)。

長(zhǎng)七發(fā)射瞬間 400噸水噴下?

圖文簡(jiǎn)介

為什么長(zhǎng)征七號(hào)發(fā)射的瞬間,要噴400噸水?只是為了降低噪音,方便觀光嗎……