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難于上青天:做一發成功的火箭到底有多難
發布時間:2020-03-23     作者:   來源:光明網   分享到:


  從20世紀初火箭誕生開始,近百年過去,全球范圍內能獨立自主發射火箭的國家也僅有美、俄、中、法、英等寥寥數國,發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,僅從火箭技術方面略談一二。

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圖1“探索一號·中國科技城之星”運載火箭成功發射瞬間(圖片來自網絡)

  作為一種運載工具,無論是哪一種火箭,除其有效負重之外,至少由三個部分組成,即火箭箭體、推進系統和控制系統。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,進而發生變形甚至破壞;耐溫性能不好,則無法承受高速飛行與空氣摩擦產生的氣動熱,造成火箭內部溫度迅速升高、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合材料保證了火箭的結構性能,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卡。各國的火箭結構材料,其配方及工藝是嚴格保密的,即便用現成的材料去逆向研發,也必須經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、調節速率等大量的工藝參數如何控制,某一項參數是否會引發其他參數的聯動變化,變化的后果又是什么樣的?所有的這些過程量及其數不勝數的排列組合必須一一經歷,才能保證結構件原料產品的質量可控。假設跨過了前兩個大坎,下一個挑戰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節,在升空后火箭高頻的振動中都有可能發生力學疲勞,從而導致結構受損甚至火箭解體,2010年印度GSLV-F06運載火箭發射升空2分鐘后解體爆炸事故就是由于推進器的連接器斷裂引發的。

  而將目光轉移到火箭的發動機上,作為火箭的心臟,火箭發動機的結構材料對性能的要求比殼體材料有過之無不及。同時,發動機推進劑也是最大的難點之一,和殼體原材料的生產類似,無論是固體還是液體發動機,如何大量、穩定、安全的獲得高性能燃料本身就需數十年的功力積累。不同代際的推進劑,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/液氧推進劑技術。除此之外,作為一個復雜的動力系統,發動機還需解決高壓穩定、高效冷卻、穩定燃燒等難題。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”可重復使用液氧甲烷發動機的500秒全系統長程試車,發動機工作正常、參數平穩,意味著我國的民營航天在發動機方面已完成關鍵技術的積累和突破,距離產品化交付又近了一大步。

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圖2 “焦點一號”液氧甲烷發動機試車成功(圖片來自網絡)

  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。火箭在起飛前會預設飛行軌跡,在起飛后,則需要隨時調整姿態以對路線進行修正,以保證火箭按照預軌跡完成運載任務。火箭依靠陀螺儀、加速度計和GPS等方式實時掌握自己的姿態和位置,并把數據同步交由控制系統去計算偏差和修正量,最后控制燃氣舵、噴管做出反應動作,完成一個控制循環。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、反應是否有效,與軟硬件的水平息息相關,在高達數公里每秒的高速下,反應稍慢或動作稍不到位,火箭就可能離預設方案偏差十萬八千里,嚴重時甚至導致姿態失控導致墜毀。

       此外,火箭作為高度精細化、集成化的造物,如何把各個部分完美的結合在一起,協調有序,互相冗余,本身就是一門科學。在國家對航天工業和人才的長期培養下,我國的商業航天公司一同踏上了中國航天發展的快車。嚴格來說,造火箭是一項不容許出現短板的工作,需要在高度科學的管理下,由大量的成熟科研人才、技能人才,將近萬個成功的產品或技術,經過無數次仿真、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火箭技術突破的難能可貴。



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