12月27日，20時45分，長征五號遙三運載火箭在中國文昌航天發(fā)射場點火升空。發(fā)射飛行試驗取得圓滿成功，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·中國科技城之星”商業(yè)亞軌道運載火箭在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心成功首飛，為中國商業(yè)航天的發(fā)展寫下了濃墨重彩的一筆。
從20世紀(jì)初火箭誕生開始，近百年過去，全球范圍內(nèi)能獨立自主發(fā)射火箭的國家也僅有美、俄、中、法、英等寥寥數(shù)國，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·中國科技城之星”運載火箭成功發(fā)射瞬間
作為一種運載工具，無論是哪一種火箭，除其有效負(fù)重之外，至少由三個部分組成，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、遙測等多種功能。
一個合格的火箭外殼，必須具備強度高、耐高低溫、密度低、易加工等基礎(chǔ)性能且互相補充、缺一不可，強度如果不夠，那在飛行過程中就無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，則無法承受高速飛行與空氣摩擦產(chǎn)生的氣動熱，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下降；即便滿足了前三個條件，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家的第一道關(guān)卡。各國的火箭結(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)過成百上千次的試驗和分析，才有可能摸索出正確的元素種類和配比。然而這只是萬里長征的第一步，溫度、濕度、時間、調(diào)節(jié)速率等大量的工藝參數(shù)如何控制，某一項參數(shù)是否會引發(fā)其他參數(shù)的聯(lián)動變化，變化的后果又是什么樣的？所有的這些過程量及其數(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)跨過了前兩個大坎，下一個挑戰(zhàn)是如何把這些高強度、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)動機(jī)上，作為火箭的心臟，火箭發(fā)動機(jī)的結(jié)構(gòu)材料對性能的要求比殼體材料有過之無不及。同時，發(fā)動機(jī)推進(jìn)劑也是最大的難點之一，和殼體原材料的生產(chǎn)類似，無論是固體還是液體發(fā)動機(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，作為一個復(fù)雜的動力系統(tǒng)，發(fā)動機(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“焦點一號”可重復(fù)使用液氧甲烷發(fā)動機(jī)的500秒全系統(tǒng)長程試車，發(fā)動機(jī)工作正常、參數(shù)平穩(wěn)，意味著我國的民營航天在發(fā)動機(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 “焦點一號”液氧甲烷發(fā)動機(jī)試車成功
在解決材料和動力問題的同時，還要考慮如何讓火箭飛的更穩(wěn)?；鸺谄痫w前會預(yù)設(shè)飛行軌跡，在起飛后，則需要隨時調(diào)整姿態(tài)以對路線進(jìn)行修正，以保證火箭按照預(yù)軌跡完成運載任務(wù)?；鸺揽客勇輧x、加速度計和GPS等方式實時掌握自己的姿態(tài)和位置，并把數(shù)據(jù)同步交由控制系統(tǒng)去計算偏差和修正量，最后控制燃?xì)舛?、噴管做出反?yīng)動作，完成一個控制循環(huán)。在這個過程中，火箭能否及時感受到變化、能否及時做出反應(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)稍慢或動作稍不到位，火箭就可能離預(yù)設(shè)方案偏差十萬八千里，嚴(yán)重時甚至導(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，本身就是一門科學(xué)。在國家對航天工業(yè)和人才的長期培養(yǎng)下，我國的商業(yè)航天公司一同踏上了中國航天發(fā)展的快車。嚴(yán)格來說，造火箭是一項不容許出現(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，將近萬個成功的產(chǎn)品或技術(shù)，經(jīng)過無數(shù)次仿真、計算、試驗和失敗的積累，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
火箭技術(shù)是一項專業(yè)領(lǐng)域廣、投入成本大且對基礎(chǔ)工業(yè)有極高要求的系統(tǒng)性的工程，無論是結(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，且對各個艙段甚至部件之間的同步性和兼容性有近乎苛刻的要求，是一個國家經(jīng)濟(jì)實力、科研實力和工業(yè)能力的集中體現(xiàn)。
圖 | 源自網(wǎng)絡(luò)
出品 | 科普中國
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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