大力士“胖五”開啟中國航天新時代

馮小寶

站在2017年的頭上，回首2016年，發(fā)覺那是航天領(lǐng)域動作頻頻的一年。“天宮二號”升空，“神舟十一號”飛船與“天宮二號”成功對接，航天員順利進(jìn)入“天宮二號”，完成在太空生活33天的超長任務(wù)，“長征五號”火箭首飛……雖然航天員的太空生活是大家關(guān)注的熱點(diǎn)，但“長征五號”火箭的首次發(fā)射成功，同樣掀起了一波熱潮。因其胖胖的可愛外形，“長征五號”被親昵地稱為“胖五”，一時間成為“網(wǎng)紅”，大出風(fēng)頭。

“胖五”會出名，可不單單是因?yàn)樗让鹊耐庑?，還因?yàn)樗某霈F(xiàn)標(biāo)志著我國從航天大國邁入了航天強(qiáng)國的行列。一字之差，卻代表著運(yùn)載火箭研制水平的一次全面升級。

“長征五號”是我國新一代重型運(yùn)載火箭。它高約57米，芯級直徑5米，是目前我國直徑最大的運(yùn)載火箭。它的起飛重量約869噸，近地軌道運(yùn)載能力約25噸，地球同步軌道運(yùn)載能力約14噸，與我國現(xiàn)役運(yùn)載火箭的指標(biāo)相比，有數(shù)倍的提升。國際上大型運(yùn)載火箭的入門標(biāo)準(zhǔn)，是近地軌道運(yùn)載能力達(dá)20噸，地球同步軌道運(yùn)載能力達(dá)10噸，“長征五號”超過了這一標(biāo)準(zhǔn)，代表它已經(jīng)達(dá)到了國際一流水平。

也許普通人對大火箭的意義沒什么概念，那筆者就打個比方吧。人類探索太空，需要搭乘航天器掙脫地球引力進(jìn)入太空。太空是一個無比遼闊空寂的地方，太陽系內(nèi)行星之間的距離動輒幾千萬千米，航天器不可能在中途得到補(bǔ)給。在這種情況下，火箭運(yùn)載能力越大，能運(yùn)上太空的重量就越大，對航天員人數(shù)、航天器重量及可攜帶物資的數(shù)量等條件限制就越寬松。就像我們帶著行李去旅行，搭乘的交通工具運(yùn)載量越大，能搭載的人員和物資就越多，所能抵達(dá)的地方就越遠(yuǎn)。所以，“長征五號”發(fā)射的成功，開啟了我國深空探測的新時代。

大力士“胖五”要“蹦”出地球，所需要的力氣可小不了，因此需要為它配備大推力的發(fā)動機(jī)。在此之前，我國現(xiàn)役火箭發(fā)動機(jī)單臺推力最大只有70噸左右，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足大型運(yùn)載火箭的要求。

中國的大火箭之夢從30年前就開始了。1986年，中國科學(xué)家提出了研究發(fā)展性能先進(jìn)的大型運(yùn)載火箭的目標(biāo)，開始進(jìn)行大型運(yùn)載火箭的前期論證和攻關(guān)。2000年前后，我國啟動了對120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)和50噸級液氫液氧發(fā)動機(jī)的研制攻關(guān)。有專家打了個比方，120噸級液氧煤油發(fā)動機(jī)產(chǎn)生的最高壓強(qiáng)達(dá)500個大氣壓，相當(dāng)于把上海黃浦江的水抽到5000米的高度。16年過去，我國航天人終于自主研制出這兩種發(fā)動機(jī)，并將它們裝配在了“胖五”身上，讓它們成為大力士的強(qiáng)勁心臟！

這兩種發(fā)動機(jī)采用的都是低溫推進(jìn)劑，其中液氫和液氧的溫度低至- 252℃和- 183℃?！芭治濉钡耐七M(jìn)劑總加注量遠(yuǎn)超我國現(xiàn)役火箭，其身體90%以上的重量為深低溫液氫液氧燃料（因此它又得了個“冰箭”的稱號）。這保證了火箭能得到足夠的推力和運(yùn)載力，但是對科研能力提出了更高的要求。簡單來說，“胖五”要穿上一件“防寒服”，以避免火箭的儀器、電纜等受到極低溫影響而出問題。這件“防寒服”只有十幾毫米厚，其主要材料叫作“低密度全閉孔聚氨酯泡沫塑料”，由近10種原材料按照一定的配比經(jīng)高速撞擊混合反應(yīng)而成，能夠幫助火箭外表面溫度保持在0℃以上。

重型火箭還涉及到很多門類的科技研發(fā)，例如大直徑箭體的設(shè)計(jì)和制造、高精度制導(dǎo)等，涉及到燃料、機(jī)械、材料、計(jì)算機(jī)等各個行業(yè)。

舉個簡單的例子，單單要把“胖五”的燃料運(yùn)送到發(fā)射場，就得用上世界上最大噸位的平板車。這是一種特種運(yùn)輸車，運(yùn)載能力超過1000噸，能夠運(yùn)輸橋梁、大船等，目前只有中國和德國能夠生產(chǎn)。

有了強(qiáng)勁的大心臟后，發(fā)動機(jī)還要與火箭分系統(tǒng)之間匹配，否則火箭會在飛行中產(chǎn)生振動，可能造成箭體結(jié)構(gòu)損壞，令航天員感到痛苦，甚至對其生命產(chǎn)生威脅。因此科研人員必須突破復(fù)雜動力學(xué)建模、大型管路動態(tài)特性試驗(yàn)、大型低溫蓄壓器設(shè)計(jì)研制等方面的關(guān)鍵技術(shù)難關(guān)，抑制這種振動的危害。另外，如發(fā)射過程中的動力測控系統(tǒng)、入軌過程的雷達(dá)監(jiān)視等，火箭發(fā)射的這些設(shè)備和步驟，都凝聚了科研人員的技術(shù)結(jié)晶。

曾經(jīng)有科學(xué)家說，航天科技就像是引領(lǐng)群雁的頭雁，在研制、發(fā)射航天器的過程中，一大批與之相關(guān)的高科技產(chǎn)業(yè)都將被帶動而獲得飛速的發(fā)展，并積累下寶貴的經(jīng)驗(yàn)，從而對國家的基礎(chǔ)工業(yè)作出重要貢獻(xiàn)。

我們的征途是星辰大海，前往星辰大海的征途，需要堅(jiān)實(shí)的科技和產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)，而這個過程本身也將反哺于民生和科技。我們開啟了航天的新時代，也將迎來更廣闊的未來。