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筑夢“天宮”|“太空快遞小哥”如何防熱、防雨又防風
為了保障“太空快遞”在運輸過程中的安全,研制人員將長征七號火箭打造成了防熱、防雨、防風的載人航天專屬“貨運專車”。

攝影:史嘯 姜文博
9月20日,航天科技集團有限公司所屬中國運載火箭技術研究院(以下簡稱“火箭院”)抓總研制的長征七號遙四運載火箭(以下簡稱長七火箭)在海南文昌航天發射場托舉天舟三號貨運飛船駛入太空,成功將其送入預定軌道,“天宮”迎來了新的訪客。
載人空間站升空后,航天員要在空間站長期駐守,吃、穿、用乃至呼吸所需的物資,都要由貨運飛船及時送到空間站,空間站維持正確軌道所需的燃料也靠貨運飛船送。因此,作為貨運飛船的運載工具,長七火箭在防熱、防雨和防風方面采取相關措施。
輕便的“防熱服”
火箭飛行過程中,芯級發動機會噴出巨大的火焰,此時,助推器后過渡段要承受噴焰回卷的強熱流,其熱防護設計如果不夠就會造成結構燒蝕,而過度設計又會影響火箭的運載能力。設計師們創新防熱材料應用和安裝方式,將像“開衫”一樣的特制防熱毛氈“披”在火箭助推器上,不僅重量更輕,而且防熱效率也更高。
據火箭院長七火箭結構設計師姚瑞娟介紹,如果采用傳統方法,在助推器后過渡段噴涂防熱涂層,生產周期較長。于是,設計人員創新思路,將防熱服由“噴”在后過渡段的表面變為“披”在身上。
設計人員采用耐高溫的材料,給助推器做了一塊柔性防熱毛氈。它有“里”、有“面”、有夾層,從靠近芯級的一側開始“披”上,在遠離芯級的外側開口,就像一件“開衫”一樣包裹著助推器,使后過渡段免受大火“烤”驗。
而這件“開衫”如何“披”得更牢固,防止它在火箭飛行時滑落呢?姚瑞娟說:“助推器后過渡段外表面有一些凸起的螺釘螺母,為了使柔性防熱氈能夠緊密地貼合在后過渡段表面,防止其脫落,我們將防熱氈的邊緣部分用不銹鋼條壓緊。同時,為防止毛氈中間部分鼓起,每隔300毫米,安裝一個不銹鋼墊片。通過螺釘螺母實現不銹鋼條、墊片與后過渡段連接,這樣,這件‘開衫’披身上就再也掉不下來了。”
姚瑞娟介紹,采用傳統的防熱方式,在助推器上整體噴涂防熱涂層,重量在70千克至100千克之間,而新型防熱毛氈重量只有20千克左右,重量減輕約75%,且防熱效果更好。柔性防熱毛氈已在長七火箭上成功應用,后續還將推廣應用于其他型號。

攝影:史嘯 姜文博
特制“雨衣”
現役火箭發射選擇窗口時都會避開雷雨天,而長七火箭則能實現中雨發射,這是因為新一代運載火箭是做了“防水”設計的。
新一代運載火箭發射場氣候潮濕,降水量大,全年12 小時內降水5至15毫米的中雨較多。為此,在火箭研制之初,火箭院就接到上級命令,要保證火箭能夠中雨發射,這就要求火箭要做好“防水”。
火箭防水都要防哪些水?具備中雨發射能力的新一代運載火箭其實不僅僅要防雨水。很多看過火箭發射的人都見過加注后的火箭,受低溫推進劑的影響,箭體表面的溫度低,冷凝水像下雨一樣順著箭體流下來,這也是火箭要防的水。除此之外,箭壁、管路上的冷凝水還可能結冰,冰融化又會形成冰霜融化水等。
火箭怎么防水呢?火箭院總體部設計人員盧松濤說,在防水設計中,我們遵循“能在單機解決的,不在系統解決,能在系統解決的,不在總體解決”原則,從“產品源頭”解決防水問題。
在新一代運載火箭設計之初,防水功能盡量通過結構設計實現,例如在部段對接處加裝密封條、在細小孔徑和縫隙涂硅橡膠、在分離面設計密封塊等,起吊附件、箭體蓋板等配置了密封墊;在排氣孔處,設置了內置導流罩,實現排氣防水雙功能并舉;針對低溫液體貯箱加注后無法避免冷凝水聚集問題,采取封堵與疏導相結合的思路,在貯箱前短殼與絕熱層平齊的位置開設排水孔……
盧松濤介紹:“以長七火箭為例,僅電連接器防水部位就有千余處,這還不包含電纜本體、電纜進出口、儀器本體、儀器與結構縫隙和結構總體專業防水”,防水工作量之大可見一斑。
可抵八級風
海南文昌發射場有“淺層風”,給長七火箭垂直轉場帶來挑戰。火箭院長征七號運載火箭總設計師程堂明告訴記者:“為了提升抗風能力,我們給長七火箭裝上了‘防風減載裝置’,這樣一來,即使遇到8 級大風的天氣,‘長七’火箭依舊可以轉場,它的抗風能力超過現役火箭。”
一般情況下,陸地上最大的風級為9級,氣象學上,8級以上的風便達到“大風”的級別。每年8月至11月,海南文昌發射場會受到強熱帶風暴和臺風的影響,而且,由于臨海,風速隨著距地面高度的增加而越來越大。
程堂明介紹:“目前,國內主要的4個發射場中,除文昌發射場外,其它的發射場都在內陸,風速隨距地面高度的變化不大。”但文昌發射場不同,距地面五六十米高的地方風速要遠高于地面風速。“地面感受到的是微風,火箭一級的地方可能就是‘大風’了。我們將這種隨距地面高度而變化的風稱為‘淺層風’。”程堂明說,這給長七火箭垂直轉場增加了難度。
長七火箭在垂直轉場時,若淺層風較大,對火箭結構強度是一個很大的考驗。考慮到這一因素后,長七火箭型號隊伍對火箭局部結構進行了適當加強,并為火箭設計了一個“防風減載裝置”。
這套裝置采用可伸展的桁架結構,一端固定在活動發射平臺的臍帶塔上,展開以后另一端與火箭二級發動機機架接頭對接,這樣在垂直轉場過程中將火箭與臍帶塔連接起來,能夠顯著降低火箭受到的風載。
“在長七火箭合練箭執行合練任務時,我們特別安排了垂直轉場試驗,測風速和載荷。”程堂明介紹。由于當時文昌發射場僅有二、三級風,無法直接得到大風下的試驗結果,型號隊伍將試驗數據與縮比風洞試驗的數據進行比對,兩者基本吻合。
有了“防風減載裝置”,長七火箭不再怕“大風”天氣,可全天候轉場。





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