我国低温火箭隔热技术获得新突破 可让火箭在轨飞行数月

我们在观看长征五号、七号或国外火箭发射时总能看到一种现象,就是发射前火箭一直在冒白色的烟,这是为什么呢?由于国外的火箭和我国新一代火箭都是采用以液氢液氧为原料的低温推进剂,属于“低温火箭”。而这些燃料的沸点又极低(-170°以下),因此在加注到火箭中后会不断地挥发。为了保证燃料充足,火箭发射前就需要一直补加。

长征七号发射前明显的燃料挥发‍

这样就造成了一个不大不小的问题,在现有技术条件下,国内外的低温火箭发射后只能勉强支持几十分钟到几小时的飞行时间,随着燃料的不断挥发,火箭引擎将停止工作。其实火箭芯级还好,只需要花几分钟把载荷送到百余公里的高度,对火箭燃料箱的隔热要求并不高,但是火箭的二级甚至上面级需要工作更久的时间,对它的隔热和挥发控制要求就变得至关重要。

长征五号发射前低温燃料蒸发

自人类进入太空以来,由于低温燃料的难以保存性,长时间在轨飞行的航天器基本上都是使用有毒的肼类化学燃料,或是电推进及离子推进。美国在轨时间最长的氢氧二级火箭,有效工作时间也不会超过一天。氢氧发动机具备高比冲的特性,使其在太空飞行中的优势要比其他发动机更高,所以必须想办法来控制液氢液氧的蒸发速度,增加发动机的有效工作时间。

各国的火箭工程师都在低温燃料的隔热技术上不断地研究,想攻克低温火箭在轨运行时间短的问题。近期,中国火箭技术研究院通过三项创新技术,大幅提高了燃料箱的隔热效率,一举将低温火箭的在轨运行时间提高到30天!这项成果主要是火箭院的科学家们通过两种新材料和一项新方案来实现的。

猎鹰火箭发射可以看到低温燃料蒸发

想减少低温燃料的蒸发就需要隔热,火箭专家们分别研制了新型的“可变密度多层隔热材料”和“聚氨酯隔热泡沫材料”,将燃料箱的隔热率分别提升了18%和50%,使燃料蒸发的速度大幅降低。同时,由于燃料不断地气化,燃料箱的压力会经常超标,因此就需要不断排气减压。专家们又采用一种全新的“热力学排气方案”,在排出气体的同时尽可能的不带走液体燃料。

该型“低温火箭推进剂蒸发量控制”技术已经顺利通过了地面试验,各项指标都能满足在轨30天的使用需求,这将对我国的深空探测特别是载人登月带来巨大帮助。

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