长七发射瞬间 400吨水喷下?
发布时间:2016-06-25
出品:科普中国
制作:寒木钓萌团队许仁华
监制:中国科学院计算机网络信息中心
  传统认知里,大块头才有大力量。不过,今天中国在海南文昌发射的这枚长征七号火箭,并非完全如此。与我国之前的主力火箭相比,长征七号火箭在自身重量增加20%的情况下,运力居然增加了70%!它是怎么做到的呢?还有,长七发射时,周围居然要喷射400吨水,这又是为什么?

  相比我国以往的火箭,重量从500吨增加到600吨,而其运力从8吨提升到14吨。
燃料很给力
  我国以前大都是使用偏二甲肼和四氧化二氮作为火箭的推进剂。
  偏二甲肼是一种氧化剂,非常容易燃烧和爆炸,一直以来,常用作火箭燃料。然而,偏二甲肼有剧毒,还致癌,这是它最大的缺点。作为氧化剂的四氧化二氮,也是有毒的,还有强烈的腐蚀性。


俄罗斯使用偏二甲肼和四氧化二氮作为燃料,发射现场红烟滚滚。

  而长征七号,全部使用液氧和煤油,无毒环保,燃烧后的主要产物是水和二氧化碳。


早前发射的长征六号燃料为液氧和煤油,燃烧的主要产物是水汽,发射现场白烟滚滚

  液氧和煤油的另一大优点是便宜。把空气冷冻成液体后再分离,就能制成了液氧,因此,一吨液氧的价格还不到2000元。另外,煤油也不贵。但偏二甲肼就不同了,它的价格高达每吨8万元,四氧化二氮的价格为每吨1.7万元。


液氧为浅蓝色液体

  便宜的燃料可以降低火箭发射成本。以发射神舟飞船的长征二F火箭为例,如果使用液氧煤油,那么每次发射可以节约推进剂费用上千万元。
  值得注意的是,液氧温度约为零下180摄氏度,灌入后,过不了多久,箭体上就会有大量凝结的水珠,尤其是在海南文昌这种高热高湿的地方,水汽凝结现象更为严重。为了解决此问题,长征七号进行了特殊设计,箭体可防水,也正因此,长征七号甚至可在中雨的天气状况下进行发射。
  不少人难免有疑问,液氧和煤油既然如此便宜环保,为何以前发射火箭却没有使用呢?答案当然是发动机——可以说,没有我国液氧煤油发动机的研制成功,就没有今日长征七号的大推力。
先进的发动机

长征五号(左)、长征七号(右)(陈霄 摄)

  长征七号的4个助推器,每个使用一台YF-100液氧煤油发动机,火箭芯一级使用两台YF-100液氧煤油发动机,每台YF-100液氧煤油发动机能产生120吨推力。高性能的液氧煤油火箭发动机是长征七号在自身体重增加不大的情况下,运力大幅提高的根本原因之一。

图为YF-100发动机,可提供120吨的推力,而长征2F火箭发动机每台只能提供75吨的推力。我国重载火箭长征五号,又叫大火箭,也将使用YF-100发动机。
  另外,火箭装载的燃料越多,运力越大,长征七号高达53米,而其自身钢材重量只占到10%,这也是其运力大增的原因之一。
海南发射场


中国4大航天发射场

  中国目前有4大航天发射基地,纬度最低的当属海南文昌发射中心,而这个发射场执行的第一次火箭发射任务就是今天的长征七号发射,意义重大。
  发射“天宫1号”的时候,由于火箭4.2米直径的整流罩超过了铁路涵洞的宽度,最后是把整流罩分成几段来运输。长征七号的整流罩直径也是4米多长,但由于它是从天津直接运往海南,就不存在直径超限的问题,它可以通过集装箱整体运输。
  众所周知,地球表面的所有物体均沿着纬线的方向随着地球自西向东转动,由于这个原因,火箭在地面未发射之前,其实就已经具有了一个和地球自转速度相同,并且是向东的速度。如果火箭的发射方向是向东,那么它就可以利用这个本来就有的速度使自身迅速加速。
  然而,地球表面各处的线速度是不同的,南北极点的线速度最小,越靠近赤道,线速度越大。
  对于地球来说,赤道上的线速度最大,为每秒456米,如果在赤道发射火箭,则最节省燃料。
  能节省到什么程度呢?咱们可以通过法国的库鲁航天发射场和哈萨克斯坦的拜科努尔航天发射场来对比一下:

库鲁航天发射场是法国目前唯一的航天发射场,也是欧空局开展航天活动的主要场所,位于南美洲东北部,为法国海外最大的省份法属圭亚那。
  法国的库鲁航天发射场纬度只有5.23度,萨克斯坦的拜科努尔航天发射场纬度是北纬46度。
  如果一枚火箭是在库鲁航天发射场发射,它的地球同步转移轨道运载能力要比在拜科努尔航天发射场发射高出20%。
  假如发射基地的纬度比拜科努尔航天发射场纬度更高,比如说北纬70度,那它的运载能力会比在库鲁航天发射场发射时减少一半。


中国海南文昌卫星发射中心位于北纬19度36分,虽然它还不算很靠近赤道,但目前来说它是我国最靠近赤道的发射场。

发射台要喷400吨水降温


发射台喷水试验(图片来自刘涵)

  跟以前的火箭发射不同,发射长征七号时,发射平台会在20秒内喷出400吨水降温和降噪。
  火箭点火时,尾焰直冲发射平台,让其瞬间接近3000摄氏度。如果不对其进行降温保护,集多种设备于一身的多功能发射台势必将会因高温遭到损坏。
  据“大流量喷水降温降噪系统”技术负责人陈劲松介绍,这400 吨水喷出去后,有30%的水将汽化到大气中,水分蒸发将带走大量的热。
  除了降温,400吨水的另一个重要功能是降低噪声。


图为美国肯尼迪航天中心39号发射台正在进行喷水试验。

火箭发射时,39号发射台上的1135.6吨水将会在数十秒内被清空。

  火箭点火时,噪音巨大,而此时火箭的上升速度又极慢,所以,能量巨大的声波有可能会破坏火箭本身。为了减弱噪音,需要在其发射时从一定的角度大量喷水。美国肯尼迪航天中心的发射台,喷水后能在原有基础上减弱40分贝左右。
长七是未来主力
  我国新一代运载火箭中,长征七号既不像长征六号那般小,也不像长征五号那般大,它处在中间位置,属于全新研制的新一代中型运载火箭,这也决定了我国未来的大量发射任务将由长征七号来承担。

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