盛夏“大冰棍”？火箭低温加注不简单

近日，“星舰”开展第一级低温推进剂加注测试，酷热天气下，现场“白雾”缭绕，使得“星舰”看起来像是一根盛夏“大冰棍”。不过，这一仙气飘飘的场景背后隐藏着巨大挑战。那么，火箭低温加注有哪些难点和注意事项？未来可能会有哪些改进措施呢？

应用广泛的低温推进剂

低温推进剂是一类在极低温度下储存和使用的推进剂，其在现代航天领域扮演着重要角色。低温推进剂不仅具有无毒、无污染、高性能等优点，而且对火箭的性能提升有着显著贡献，因而成为火箭首选的动力来源。

液氢和液氧是常见的低温推进剂，它们在航天发射和空间探索中被广泛应用。美国的猎鹰9系列火箭和俄罗斯的联盟号系列火箭均使用液氧作为氧化剂，这表明液氧作为低温推进剂，在国际航天领域被广泛认可和应用。

在火箭的动力系统中，液氢和液氧通常作为推进剂同时使用，如美国太空发射系统火箭芯级和欧洲阿里安5火箭芯级均使用了液氢、液氧推进剂。这种组合具有高能量密度，能够在有限的空间内提供强大的推力，从而确保火箭的高效能和可靠性。国内的航天发射任务也不例外，长征三号甲系列火箭、新一代长征五号系列火箭、长征六号系列火箭以及长征七号系列火箭也都使用了液氢、液氧作为推进剂。

“星舰”开展第一级低温推进剂加注测试

低温推进剂地面加注对于火箭的成功发射至关重要，该过程的主要任务是将液氢、液氧等燃料由地面存储罐输送至箭上燃料贮箱。低温加注的时机非常关键，一般在发射前24小时内进行，之所以选择该时间段进行低温加注，一方面是因为该时间段内运载火箭和所有相关系统已经进入待命状态，并完成了发射前的准备工作，包括各项检查、测试和预启动程序；另一方面是因为需要确保火箭发射前推进剂处于液态，并防止液态燃料蒸发而导致燃料损失，以保证火箭发射时能够顺利点火和启动。

挑战和考验重重

在火箭燃料和氧化剂的储存和使用过程中，保持低温状态有助于提高推进剂的密度和性能，从而提高火箭的推力和有效载荷能力。然而，低温加注需要在极低温度的条件下进行操作，因此面临着多方面的挑战和考验。

火箭低温加注的主要难点之一，是如何确保燃料和氧化剂在低温下保持液态。推进剂通常在极低的温度下储存，例如液氢和液氧的沸点分别为-253℃和-183℃，因此必须采取有效的保温措施，防止推进剂在储存过程中过早蒸发或凝固。同时需要使用高性能隔热材料来包裹燃料和氧化剂的储存容器，防止热量流失并降低外界温度对推进剂的影响，从而保证推进剂长期稳定储存。

低温推进剂的低温特性使得它们对材料和设备的要求更高，因为极低温度会引发一系列特殊的物理和化学效应，这对航天器、储存设备和加注系统提出了更严格的要求。在极低温度下，许多材料会变得脆弱，容易发生裂纹或断裂，因此需要采用耐低温性能较强的材料来制造储存容器、管道和阀门等关键部件。低温推进剂容易渗透和渗漏，对设备的密封性能要求较高，需要使用有效的密封材料和技术，防止推进剂的泄漏和挥发，从而确保设备的性能和安全。

此外，在极低温度下，液态推进剂的流动性会降低，加注和排放过程可能变得更加困难。加注系统和排放系统需要经过特殊设计，以确保推进剂在低温下能够有效地流动。一些低温推进剂对常规材料具有较强的腐蚀性，因此还需要选择能够耐受推进剂腐蚀的特殊材料，以延长设备的使用寿命。

火箭低温加注是一项高度精密的任务，它涉及多个关键方面。加注过程需要精确控制时间，确保在火箭准备发射时，推进剂已经完成加注。加注时间过早或过晚都可能导致火箭无法按计划发射。加注速率也是至关重要的因素，推进剂的加注速率必须恰到好处，过快可能导致推进剂过热，而过慢则可能导致推进剂过冷和凝固，因此必须在加注过程中实时监控并调整加注速率，以确保推进剂能够保持液态状态。

加注过程中的压力控制也极其重要，推进剂加注时需要保持合适的压力，以确保推进剂能够稳定地进入火箭燃料箱，避免泄漏或不稳定的情况发生。

低温加注还涉及复杂的安全风险，其中液态燃料的高度易燃和易爆特性是主要风险之一。液态低温推进剂处于极低温度下，接触到外界环境时会迅速蒸发成气态，形成易燃气体，任何火源、电火花或静电放电等都可能导致燃烧或爆炸，造成严重的后果。由于液态低温推进剂具有渗透性，如果火箭燃料舱或加注设备出现破损，将导致推进剂大量泄漏，引起严重的事故。加注人员在发射前15分钟左右才撤离发射塔架，需要冒着生命危险完成管路的对接和燃料的加注，工作的危险性极高。

探索解决方案

在追求更高效、更可靠的太空探索过程中，科研人员不断寻找有效的改进措施，以确保低温加注成功进行。低温加注的改进措施主要有4个方向，这为火箭低温加注过程中面临的挑战提供了新的解决方案。

新材料的研发是改进火箭低温加注技术的关键一步。科研人员正在寻找耐受极端低温和腐蚀性的材料，用于加注设备和储存容器的制造。特殊合金、高性能复合材料以及涂层技术的应用，能够有效抵御低温环境并减弱推进剂的腐蚀能力，从而提高加注设备的稳定性并延长其寿命。

智能化和自动化技术的引入是改进火箭低温加注技术的重要一环。科研人员通过人工智能、机器学习和传感器技术，开发智能化的加注系统，可以实时监测和控制加注过程，实现加注速度、液位和温度的精确控制。自动化系统能够高效完成复杂的加注任务，减少人为操作失误，同时提升加注的稳定性和一致性。

泄漏是火箭低温加注过程中的一大难题。为了及早发现并防范泄漏风险，科研人员正在研发更先进的泄漏预警系统。该系统可通过监测压力、流量和温度等参数，实时监测加注过程中的异常情况，并迅速报警。及时的泄漏预警将有助于避免事故发生，保障作业人员和设备的安全。

除了液氢和液氧，新型推进剂的研究也是改进火箭低温加注技术的重要方向。氢氧化铝推进剂、甲烷推进剂等被视为有望替代传统液氢和液氧的推进剂，它们在加注过程中不需要极低温度条件，从而简化了加注设备和储存系统的配置，提高了任务的灵活性和可操作性。

同时，新型推进剂的研究也有望带来更高的燃烧温度和推进效率，为火箭的性能提升带来新的可能。（作者：刘振飞 王昭磊 图片来源：SpaceX公司 把关专家：中国航天科技集团科技委副主任 江帆）