12月27日，20時(shí)45分，長(zhǎng)征五號(hào)遙三運(yùn)載火箭在中國(guó)文昌航天發(fā)射場(chǎng)點(diǎn)火升空。發(fā)射飛行試驗(yàn)取得圓滿成功，這是胖五的第三次發(fā)射。兩天前，25日，由北京星途探索公司自主研發(fā)的“探索一號(hào)·中國(guó)科技城之星”商業(yè)亞軌道運(yùn)載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功首飛，為中國(guó)商業(yè)航天的發(fā)展寫(xiě)下了濃墨重彩的一筆。
從20世紀(jì)初火箭誕生開(kāi)始，近百年過(guò)去，全球范圍內(nèi)能獨(dú)立自主發(fā)射火箭的國(guó)家也僅有美、俄、中、法、英等寥寥數(shù)國(guó)，發(fā)射火箭到底難在哪里，本文暫不討論備案、審批、許可等管理流程，僅從火箭技術(shù)方面略談一二。
圖1 “探索一號(hào)·中國(guó)科技城之星”運(yùn)載火箭成功發(fā)射瞬間
作為一種運(yùn)載工具，無(wú)論是哪一種火箭，除其有效負(fù)重之外，至少由三個(gè)部分組成，即火箭箭體、推進(jìn)系統(tǒng)和控制系統(tǒng)。部分火箭還帶有自毀、遙測(cè)等多種功能。
一個(gè)合格的火箭外殼，必須具備強(qiáng)度高、耐高低溫、密度低、易加工等基礎(chǔ)性能且互相補(bǔ)充、缺一不可，強(qiáng)度如果不夠，那在飛行過(guò)程中就無(wú)法承受巨大的加速度，進(jìn)而發(fā)生變形甚至破壞；耐溫性能不好，則無(wú)法承受高速飛行與空氣摩擦產(chǎn)生的氣動(dòng)熱，造成火箭內(nèi)部溫度迅速升高、惡化；密度如果較大，則火箭的有效載重量會(huì)下降；即便滿足了前三個(gè)條件，如果加工難度很大，同樣不是好的選擇。
高精尖的合金材料和復(fù)合材料保證了火箭的結(jié)構(gòu)性能，而如何獲得并加工這些材料就成了難倒許多國(guó)家的第一道關(guān)卡。各國(guó)的火箭結(jié)構(gòu)材料，其配方及工藝是嚴(yán)格保密的，即便用現(xiàn)成的材料去逆向研發(fā)，也必須經(jīng)過(guò)成百上千次的試驗(yàn)和分析，才有可能摸索出正確的元素種類和配比。然而這只是萬(wàn)里長(zhǎng)征的第一步，溫度、濕度、時(shí)間、調(diào)節(jié)速率等大量的工藝參數(shù)如何控制，某一項(xiàng)參數(shù)是否會(huì)引發(fā)其他參數(shù)的聯(lián)動(dòng)變化，變化的后果又是什么樣的？所有的這些過(guò)程量及其數(shù)不勝數(shù)的排列組合必須一一經(jīng)歷，才能保證結(jié)構(gòu)件原料產(chǎn)品的質(zhì)量可控。假設(shè)跨過(guò)了前兩個(gè)大坎，下一個(gè)挑戰(zhàn)是如何把這些高強(qiáng)度、耐高溫的原料加工成最終所需的形狀，且加工后的部件如何保證強(qiáng)度一致，薄厚均勻，密封良好，需知即便是輕微的薄弱環(huán)節(jié)，在升空后火箭高頻的振動(dòng)中都有可能發(fā)生力學(xué)疲勞，從而導(dǎo)致結(jié)構(gòu)受損甚至火箭解體，2010年印度GSLV-F06運(yùn)載火箭發(fā)射升空2分鐘后解體爆炸事故就是由于推進(jìn)器的連接器斷裂引發(fā)的。
而將目光轉(zhuǎn)移到火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)上，作為火箭的心臟，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的結(jié)構(gòu)材料對(duì)性能的要求比殼體材料有過(guò)之無(wú)不及。同時(shí)，發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)劑也是最大的難點(diǎn)之一，和殼體原材料的生產(chǎn)類似，無(wú)論是固體還是液體發(fā)動(dòng)機(jī)，如何大量、穩(wěn)定、安全的獲得高性能燃料本身就需數(shù)十年的功力積累。不同代際的推進(jìn)劑，其燃燒效率、能量密度可謂云泥之別，就連我國(guó)也是在近年才掌握了液氫/液氧推進(jìn)劑技術(shù)。除此之外，作為一個(gè)復(fù)雜的動(dòng)力系統(tǒng)，發(fā)動(dòng)機(jī)還需解決高壓穩(wěn)定、高效冷卻、穩(wěn)定燃燒等難題。值得一提的是，在探索一號(hào)成功首飛的同一天，北京星際榮耀空間科技有限公司首次完成了“焦點(diǎn)一號(hào)”可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)的500秒全系統(tǒng)長(zhǎng)程試車，發(fā)動(dòng)機(jī)工作正常、參數(shù)平穩(wěn)，意味著我國(guó)的民營(yíng)航天在發(fā)動(dòng)機(jī)方面已完成關(guān)鍵技術(shù)的積累和突破，距離產(chǎn)品化交付又近了一大步。
圖2 “焦點(diǎn)一號(hào)”液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)試車成功
在解決材料和動(dòng)力問(wèn)題的同時(shí)，還要考慮如何讓火箭飛的更穩(wěn)?；鸺谄痫w前會(huì)預(yù)設(shè)飛行軌跡，在起飛后，則需要隨時(shí)調(diào)整姿態(tài)以對(duì)路線進(jìn)行修正，以保證火箭按照預(yù)軌跡完成運(yùn)載任務(wù)?；鸺揽客勇輧x、加速度計(jì)和GPS等方式實(shí)時(shí)掌握自己的姿態(tài)和位置，并把數(shù)據(jù)同步交由控制系統(tǒng)去計(jì)算偏差和修正量，最后控制燃?xì)舛妗姽茏龀龇磻?yīng)動(dòng)作，完成一個(gè)控制循環(huán)。在這個(gè)過(guò)程中，火箭能否及時(shí)感受到變化、能否及時(shí)做出反應(yīng)、反應(yīng)是否有效，與軟硬件的水平息息相關(guān)，在高達(dá)數(shù)公里每秒的高速下，反應(yīng)稍慢或動(dòng)作稍不到位，火箭就可能離預(yù)設(shè)方案偏差十萬(wàn)八千里，嚴(yán)重時(shí)甚至導(dǎo)致姿態(tài)失控導(dǎo)致墜毀。
此外，火箭作為高度精細(xì)化、集成化的造物，如何把各個(gè)部分完美的結(jié)合在一起，協(xié)調(diào)有序，互相冗余，本身就是一門(mén)科學(xué)。在國(guó)家對(duì)航天工業(yè)和人才的長(zhǎng)期培養(yǎng)下，我國(guó)的商業(yè)航天公司一同踏上了中國(guó)航天發(fā)展的快車。嚴(yán)格來(lái)說(shuō)，造火箭是一項(xiàng)不容許出現(xiàn)短板的工作，需要在高度科學(xué)的管理下，由大量的成熟科研人才、技能人才，將近萬(wàn)個(gè)成功的產(chǎn)品或技術(shù)，經(jīng)過(guò)無(wú)數(shù)次仿真、計(jì)算、試驗(yàn)和失敗的積累，方能打造成功，由此也更加凸顯商業(yè)火箭技術(shù)突破的難能可貴。
劃重點(diǎn)
火箭技術(shù)是一項(xiàng)專業(yè)領(lǐng)域廣、投入成本大且對(duì)基礎(chǔ)工業(yè)有極高要求的系統(tǒng)性的工程，無(wú)論是結(jié)構(gòu)材料、推進(jìn)劑還是其他軟硬件，均要達(dá)到接近100%的可靠性，且對(duì)各個(gè)艙段甚至部件之間的同步性和兼容性有近乎苛刻的要求，是一個(gè)國(guó)家經(jīng)濟(jì)實(shí)力、科研實(shí)力和工業(yè)能力的集中體現(xiàn)。
圖 | 源自網(wǎng)絡(luò)
出品 | 科普中國(guó)
作者 | 鴻爪雪梨
策劃 | 武玥彤、金赫
監(jiān)制 | 光明網(wǎng)科普事業(yè)部
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