为了保障“太空快递”在运输过程中的安全,研制人员将长征七号火箭打造成了防热、防雨、防风的载人航天专属“货运专车”。

摄影:史啸 姜文博

9月20日,航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院(以下简称“火箭院”)抓总研制的长征七号遥四运载火箭(以下简称长七火箭)在海南文昌航天发射场托举天舟三号货运飞船驶入太空,成功将其送入预定轨道,“天宫”迎来了新的访客。

载人空间站升空后,航天员要在空间站长期驻守,吃、穿、用乃至呼吸所需的物资,都要由货运飞船及时送到空间站,空间站维持正确轨道所需的燃料也靠货运飞船送。因此,作为货运飞船的运载工具,长七火箭在防热、防雨和防风方面采取相关措施。

轻便的“防热服”

火箭飞行过程中,芯级发动机会喷出巨大的火焰,此时,助推器后过渡段要承受喷焰回卷的强热流,其热防护设计如果不够就会造成结构烧蚀,而过度设计又会影响火箭的运载能力。设计师们创新防热材料应用和安装方式,将像“开衫”一样的特制防热毛毡“披”在火箭助推器上,不仅重量更轻,而且防热效率也更高。

据火箭院长七火箭结构设计师姚瑞娟介绍,如果采用传统方法,在助推器后过渡段喷涂防热涂层,生产周期较长。于是,设计人员创新思路,将防热服由“喷”在后过渡段的表面变为“披”在身上。

设计人员采用耐高温的材料,给助推器做了一块柔性防热毛毡。它有“里”、有“面”、有夹层,从靠近芯级的一侧开始“披”上,在远离芯级的外侧开口,就像一件“开衫”一样包裹着助推器,使后过渡段免受大火“烤”验。

而这件“开衫”如何“披”得更牢固,防止它在火箭飞行时滑落呢?姚瑞娟说:“助推器后过渡段外表面有一些凸起的螺钉螺母,为了使柔性防热毡能够紧密地贴合在后过渡段表面,防止其脱落,我们将防热毡的边缘部分用不锈钢条压紧。同时,为防止毛毡中间部分鼓起,每隔300毫米,安装一个不锈钢垫片。通过螺钉螺母实现不锈钢条、垫片与后过渡段连接,这样,这件‘开衫’披身上就再也掉不下来了。”

姚瑞娟介绍,采用传统的防热方式,在助推器上整体喷涂防热涂层,重量在70千克至100千克之间,而新型防热毛毡重量只有20千克左右,重量减轻约75%,且防热效果更好。柔性防热毛毡已在长七火箭上成功应用,后续还将推广应用于其他型号。

摄影:史啸 姜文博特制“雨衣”

现役火箭发射选择窗口时都会避开雷雨天,而长七火箭则能实现中雨发射,这是因为新一代运载火箭是做了“防水”设计的。

新一代运载火箭发射场气候潮湿,降水量大,全年12 小时内降水5至15毫米的中雨较多。为此,在火箭研制之初,火箭院就接到上级命令,要保证火箭能够中雨发射,这就要求火箭要做好“防水”。

火箭防水都要防哪些水?具备中雨发射能力的新一代运载火箭其实不仅仅要防雨水。很多看过火箭发射的人都见过加注后的火箭,受低温推进剂的影响,箭体表面的温度低,冷凝水像下雨一样顺着箭体流下来,这也是火箭要防的水。除此之外,箭壁、管路上的冷凝水还可能结冰,冰融化又会形成冰霜融化水等。

火箭怎么防水呢?火箭院总体部设计人员卢松涛说,在防水设计中,我们遵循“能在单机解决的,不在系统解决,能在系统解决的,不在总体解决”原则,从“产品源头”解决防水问题。

在新一代运载火箭设计之初,防水功能尽量通过结构设计实现,例如在部段对接处加装密封条、在细小孔径和缝隙涂硅橡胶、在分离面设计密封块等,起吊附件、箭体盖板等配置了密封垫;在排气孔处,设置了内置导流罩,实现排气防水双功能并举;针对低温液体贮箱加注后无法避免冷凝水聚集问题,采取封堵与疏导相结合的思路,在贮箱前短壳与绝热层平齐的位置开设排水孔……

卢松涛介绍:“以长七火箭为例,仅电连接器防水部位就有千余处,这还不包含电缆本体、电缆进出口、仪器本体、仪器与结构缝隙和结构总体专业防水”,防水工作量之大可见一斑。

可抵八级风

海南文昌发射场有“浅层风”,给长七火箭垂直转场带来挑战。火箭院长征七号运载火箭总设计师程堂明告诉记者:“为了提升抗风能力,我们给长七火箭装上了‘防风减载装置’,这样一来,即使遇到8 级大风的天气,‘长七’火箭依旧可以转场,它的抗风能力超过现役火箭。”

一般情况下,陆地上最大的风级为9级,气象学上,8级以上的风便达到“大风”的级别。每年8月至11月,海南文昌发射场会受到强热带风暴和台风的影响,而且,由于临海,风速随着距地面高度的增加而越来越大。

程堂明介绍:“目前,国内主要的4个发射场中,除文昌发射场外,其它的发射场都在内陆,风速随距地面高度的变化不大。”但文昌发射场不同,距地面五六十米高的地方风速要远高于地面风速。“地面感受到的是微风,火箭一级的地方可能就是‘大风’了。我们将这种随距地面高度而变化的风称为‘浅层风’。”程堂明说,这给长七火箭垂直转场增加了难度。

长七火箭在垂直转场时,若浅层风较大,对火箭结构强度是一个很大的考验。考虑到这一因素后,长七火箭型号队伍对火箭局部结构进行了适当加强,并为火箭设计了一个“防风减载装置”。

这套装置采用可伸展的桁架结构,一端固定在活动发射平台的脐带塔上,展开以后另一端与火箭二级发动机机架接头对接,这样在垂直转场过程中将火箭与脐带塔连接起来,能够显著降低火箭受到的风载。

“在长七火箭合练箭执行合练任务时,我们特别安排了垂直转场试验,测风速和载荷。”程堂明介绍。由于当时文昌发射场仅有二、三级风,无法直接得到大风下的试验结果,型号队伍将试验数据与缩比风洞试验的数据进行比对,两者基本吻合。

有了“防风减载装置”,长七火箭不再怕“大风”天气,可全天候转场。

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