“胖五”成功飞天!燃料接近低温极限新材料技术功不可没


恒达主管 被称为“胖五”的中国“最强火箭”长征五号近日圆满完成第三次发射任务,迎来重生时刻。为了实现更大运载能力,以“胖五”为代表的中国新一代运载火箭普遍使用低温推进剂。如何避免推进器燃料的低温对火箭带来不良影响?低温推进剂贮箱绝热结构的研制是需要攻克的技术难题。


“液氧的温度约为零下183℃,液氢约为零下253℃,与绝对零度已经十分接近,需要把推进剂贮箱内部的极低温和外界的常温环境隔绝开。”中国运载火箭技术研究院航天材料及工艺研究所低温绝热结构研制生产团队负责人申雄刚说,通俗讲,他们的工作就是给火箭打造一件“防寒服”。


恒达主管 申雄刚所在的团队组建于上世纪80年代,随着火箭型号研制历程不断推进,团队不断扩充,目前已经达到70余人,平均年龄33岁。放眼望去,团队里基本都是朝气蓬勃的“80后”和“90后”。


“大家都知道,长征五号是‘十年磨一剑’,为进一步加大运载能力,火箭推进剂贮箱直径从3米提升为5米。”申雄刚说,推进剂贮箱长度近20米,贮箱壁板最薄处仅2—3毫米,就像一个大大的“气球”,给这样一个“大家伙”穿一身合身的“防寒服”,给团队提出了新的挑战。

“胖五”成功飞天!燃料接近低温极限新材料技术功不可没

首先是“防寒服”的材料选用。“对于长征五号来说,由于体积庞大,追求轻质是一个突出问题,而由于内外悬殊的温差,材料会出现‘吸湿增重’问题。”申雄刚说,团队与浙江大学合作,对绝热结构在超低温下吸湿增重的原理、过程机制、影响评价等进行深入研究,不仅取得了突破进展,还成为世界首个对绝热结构吸湿增重结果进行真实工况采样评价的研制团队。


“防寒服”的材料选好了,如何为“胖五”顺利穿上也面临不少难题。申雄刚告诉记者,贮箱作为大尺寸薄壁结构件,在制造过程中容易出现一些轻微的不规则变形,在加工绝热材料环节不能采用传统的加工方案。“我们研制了一套自动化加工系统,通过测控系统还原贮箱实际型面,根据实际型面编写加工程序,控制机床对型面进行‘仿形’加工,不仅解决了大尺寸薄壁工件表面加工精度的问题,还将加工效率提升了80%左右。”申雄刚说。


恒达主管 由于产品的尺寸大,在加工制造过程中难免会出现一些缺陷,例如绝热层和箭体之间出现缝隙,在飞行过程中就可能造成隔热层开裂、鼓起、甚至脱落。为了解决这一问题,老一辈航天人采取用工具轻敲产品表面,通过辨别不同敲击声音检查产品质量的方法,虽然十分有效,但过于依赖操作者经验,检测效率不高。“我们团队和检测中心的同事一起,成功将错位激光散斑技术应用在绝热材料粘接质量检测,检测的准确率和效率都得到了大幅提升。”申雄刚说。


恒达主管 被昵称为“胖五”的长征五号运载火箭,还有一个特别的名字——“冰箭”,因为它的芯一级动力配备的是氢氧发动机,以超低温的液氢、液氧作为燃料。


如果把常规火箭和“胖五”比作两辆车,在携带同样的行李行驶同样的路程时,前者自重需要1000吨,而后者自重只要约600吨。走相同的路,做相同的事,只需要原来一半的干粮。因此“胖五”的有效载荷,即运载卫星的能力明显增强。


恒达主管 为“胖五”减负增力,液氢液氧推进剂功不可没,但它们极低的温度也给研制人员带来挑战。


航天六院11所(京)主推进发动机设计部主任郑大勇说,氢氧发动机要经受“冰火两重天”的巨大考验。液氢温度可低至-253℃,而液氢和液氧燃烧时的温度高达3300℃。


巨大的温差对氢氧发动机的制造材料、加工和装配都提出更高要求。除此之外,轴承、燃烧不稳定性、氧涡轮等多种问题也是研制中的难点。


氢氧发动机的研制队伍通过研制更先进的测量方法、分辨率更高的振动分析软件和试后产品检测方法,通过采取有效措施,有效消除了发动机的隐患。


对于产品长期的关注投入,使得团队中的很多人对产品产生了一种特殊的感情。“在我们眼里,这么大尺寸的薄壁件很脆弱,容不得一点损伤,很多同事会亲切称呼其为‘箱子宝宝’。”申雄刚说,团队成员对“宝宝”有着共同的期许——希望它的性能越来越好,质量越来越高,将来在支撑国家运载火箭更大运载能力和技术水平提升方面发挥作用。


“胖五”是个大力士


说长征五号是个大胖墩,绝对没有言过其实,首先突破了“腰围”。此前,我国火箭芯级直径都是3.35米,助推器直径为2.25米。“胖五”采用了全新的箭体结构,芯级直径达5米,捆绑4个3.35米助推器。


大胖墩也是个“大力士”,具备近地轨道25吨、地球同步转移轨道14吨的运载能力,相当于可以同时将16辆小轿车送入太空。其运载能力是家族其他成员运载能力的两倍以上。我国未来航天工程计划中20吨左右的长期有人照料的空间站、大型空间望远镜、返回式月球探测器、深空探测器、超重型应用卫星等发射任务,对长征五号来说都不在话下。


这么大的推力,使我国运载火箭的规模实现从中型到大型的跨越,运载能力达到或超过国外主流大型火箭,如阿里安5、德尔塔4、宇宙神5等,火箭总体和部分分系统技术达到国际先进水平。


转场可抵八到九级风


恒达主管 “胖五”还突破了许多其他技术,例如,其垂直转运技术就非同一般。它的个头在长征家族中最高,长约57米,有20层楼那么高。所以在垂直转运时,利用半个足球场大的活动发射平台驮着它在2800米的无缝钢轨“走”了约两小时,即其垂直转运速度不超过每分钟30米。一路上,活动发射平台不仅要载着长征5号火箭出行,还要为火箭供气、供电。这样一来,火箭转场中就可保持箭地连接不变,从而减少了发射区的工作,缩短了发射流程。


恒达主管 在转场方法上,它与现役火箭也有着很大的不同。其他火箭是“挑担子”,长征五号火箭是“抬轿子”,目的是“走”得更稳。


在火箭垂直转场中,现役火箭芯一级的“脚下”共有4个支撑臂,用于让火箭稳稳地“站”在“座驾”上。火箭助推器则是被芯一级“挑”着“走”,所以叫“挑担子”。而长征五号火箭在转场时,有12个支撑臂,但它们是被平均分布在4个助推器的“脚下”,因此是4个助推器“抬”着芯一级走,所以很像 “抬轿子”。其转场可抵八到九级风,而且拦腰不用任何防风减载装置。


大火箭运输要找海港


恒达主管 长征五号系列运载火箭的直径为5米,无法用火车运抵我国内陆发射场。而文昌卫星发射中心位于海南靠近海岸的地方,且有良好的港口,可以停泊运送大型火箭的船只。这就是在海南文昌发射长征五号运载火箭最重要的原因。它采用公路-海路-公路运输方式,由两艘专用运输船将长征五号运载火箭从天津运至海南。我国未来的重型运载火箭直径约10米,可能也将在海南文昌发射。


三层“防寒服”为冰箭保温


长征五号运载火箭也称冰箭,因为火箭肚子里装了满满的深低温液氢液氧燃料,其中液氢温度达-253℃、液氧达-183℃,几乎达到低温的极限。


热力学中定义的最低温度是-273.15摄氏度,这个温度被称为绝对零度。长征五号火箭中液氢的温度已接近绝对零度,但火箭外表面温度依然可以一直保持在0摄氏度以上,只因为火箭的贮箱外“穿着”一层不到30毫米厚的“防寒服”,让火箭内的仪器、设备、电缆等正常工作。


据介绍,燃料在火箭发动机燃烧时的最高温度超过3300摄氏度,如此巨大的温差在瞬间切换,这种工况也是地球上绝无仅有的奇观。


火箭体内90%以上都是这种深低温燃料,但火箭并不冷,它的外表面温度依然可以保持在0℃以上,这是因为火箭的贮箱外穿着一层“防寒服”,让火箭内部的仪器、设备、电缆等正常工作。


恒达主管 “防寒服”一共不到30毫米,却是给火箭保持体温的利器,“冰箭”不冷全靠它。


多材料高速撞成“棉花层”


“棉花”层全称是“低密度全闭孔泡沫塑料绝热层”,氢箱外表的“棉花”层厚20毫米,氧箱外表的“棉花”层厚10毫米。


这种棉花层由近10种原材料按配比高速撞击混合反应而成,从液态原材料发生撞击到固化成型只需10多秒。


中国航天科技集团703所防隔热材料设计师申雄刚介绍说,这近10种材料分成两组,都是液体,就像“哥俩好”胶水一样,一旦混合,会在10秒钟之内发生发泡反应、固化成型。


恒达主管 “长五”火箭“棉花”层与其他火箭不同,因为选用了新型发泡材料,其他材料的比例等也变了,申雄刚说,材料研制人员做了千余次试验,研究新型“棉花”层的性能。

“胖五”成功飞天!燃料接近低温极限新材料技术功不可没

大火箭壳体“薄如蝉翼”


恒达主管 运载火箭这个庞然大物,身高数十米,体重几十吨,人们可能会认为火箭外壳肯定特别厚重,才能足够坚固。而事实上,常用的火箭壳体“蒙皮”的厚度都在1.2毫米至2毫米之间,而整流罩的“蒙皮”厚度仅有0.3毫米。如果把火箭比作一个成年人,把壳体比作成年人的外衣,那么这层外衣真的是“薄如蝉翼”。


火箭的外壳专业术语称为“蒙皮”,其“蒙皮”的主要材料为铝合金,这种材料强度高、耐腐蚀、重量轻、成本低,是做“蒙皮”的最佳选择。铝合金材料轻,可以为火箭减轻重量。“蒙皮”薄了,就可以装更多的燃料,“举”起更重的卫星。


恒达主管 中国航天科技集团一院的设计人员在设计时,会在“蒙皮”内部用一个个框环和桁条组成一个圆柱形的框架,把框架与“蒙皮”铆接在一起,这就组成了火箭的一个壳段。 “火箭‘蒙皮’很薄、很软,但根据受力分析进行科学计算、结构优化后,用铆钉把‘蒙皮’和框架固定,每一壳段有上千个铆钉,这样就保证了整体结构的强度和刚度”。在发射过程中,无论受到哪个方向的外力,都不会影响火箭的飞行。


恒达主管 如果“蒙皮”过薄,靠不断加密内部框架来保证坚固性的话,反而会使壳体重量增加,达不到预期效果。因此,设计人员要计算出“蒙皮”和框环、桁条的最佳配比,既保证用最少的材料,又保证箭体坚固、可靠。


随着技术进步,设计人员计算得也越来越精确,火箭结构也越来越优化,“蒙皮”的厚度也随之变得越来越薄。“长五”火箭整流罩的‘蒙皮’面板厚度只有0.3毫米,在相同刚度下,火箭壳段的重量将减少10%以上”。这样,火箭就在保证坚固的前提下,承载更多的燃料,把有效载荷顺利送入轨道。


棉花层


“防寒服”中的棉花层是低密度材料,有10至20毫米厚,这层“棉花”有里有面,因为如果它直接涂在贮箱金属表面,贮箱受冷收缩时,“棉花层”因收缩性能比金属小会导致脱粘,影响隔温效果。


“里”


“防寒服”的“里”是一层胶粘剂,不到1毫米厚,比“棉花”层更适应金属材料的热胀冷缩,且摩擦力大,能同时与金属材料的贮箱和“棉花”完美贴合,设计人员又叫它“缓冲层”。


“面”


“防寒服”的“面”是一层蘸胶玻璃纤维织物,0.9毫米厚,它也叫“保护层”,可以保护“棉花”不吸收外界水气、不被损坏,更好地发挥隔温性能。


恒达主管 据介绍,在“胖五”800吨重的身体里,90%是温度为——252℃的液氢和——183℃的液氧,这已经接近低温的极限。


恒达主管 液氢是火箭化学推进剂中能量最高的燃料,氢氧发动机比现有常规燃料发动机性能提高约50%,是当前已知推进效率最高的化学推进剂火箭发动机。


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