近日，美國火神運載火箭先后進行了芯一級和半人馬V上面級的貯箱低溫加注測試，為該火箭計劃在今年5月實施首次發(fā)射鋪平了道路。眾所周知，雖然火箭加注只是向空貯箱里加滿液體燃料，看起來也非常簡單，但實際上大有學問，是液體火箭研制試驗和發(fā)射準備中至關重要的一步。那么，火箭推進劑加注有哪些特點呢？

(資料圖片僅供參考)

火神運載火箭貯箱低溫加注測試（照片來自美國聯(lián)合發(fā)射聯(lián)盟公司）

液體火箭的“血液”

就像汽車需要燒油才能風馳電掣地奔馳一樣，火箭也需要燃料才能飛向太空。液體運載火箭使用的液體推進劑和汽車使用的汽油、柴油作用相近，液體推進劑在火箭發(fā)動機的燃燒室中快速燃燒，生成大量高溫高壓的燃氣，推動火箭發(fā)射升空。毫不夸張地說，火箭推進劑是液體運載火箭的“血液”。

汽車發(fā)動機在大氣層內(nèi)工作，使用汽油、柴油等燃料與大氣中的氧氣進行燃燒反應。然而，運載火箭大部分飛行時間處在大氣層外，沒有天然的氧氣可以利用，推進劑不是自身能分解燃燒，就是使用氧化劑燃燒。

液體推進劑根據(jù)成分可分為單組元、雙組元和多組元等類型。單組元推進劑的代表是過氧化氫和肼等化合物，它們都能分解放熱生成高溫氣體；雙組元一般是燃料和氧化劑的組合，常見的有偏二甲肼和四氧化二氮、液氧煤油、液氧甲烷和液氧液氫等；多組元推進劑較少見，例如蘇聯(lián)研制的RD-701發(fā)動機，起飛時使用液氧、煤油和液氫3種成分，就是典型的三組元發(fā)動機。

如今，運載火箭一般都使用雙組元推進劑，而其中無論是偏二甲肼和四氧化二氮，還是液氧和液氫都不算穩(wěn)定，前兩者有毒，腐蝕性強；后兩者容易揮發(fā)，不易存放。

考慮到液體推進劑易燃易爆和容易揮發(fā)泄漏等特點，液體火箭一般不會帶著推進劑進行運輸，火箭出廠時貯箱是空的，運輸全程也是如此，直到發(fā)射前才會向貯箱里加注推進劑，是液體運載火箭發(fā)射流程中必不可少和最重要的環(huán)節(jié)之一。

加注復雜、難度高

給火箭加注推進劑具有很高的難度。以偏二甲肼和四氧化二氮常規(guī)組合為例。它們在常溫下可以長期貯存，具有性能穩(wěn)定和處理方便等優(yōu)點，但偏二甲肼易揮發(fā)，易被人體皮膚吸收，不僅是致癌物，還有劇毒，對人體危害極大，四氧化二氮也有毒和擁有很強的腐蝕性。

常規(guī)推進劑有毒，而液氧和液氫等推進劑的溫度又非常低，液氧溫度低至零下180攝氏度，甲烷溫度為零下182.5攝氏度，液氫更是低至零下250攝氏度。

空氣在超低溫下會固化，常見的金屬也會變脆，容易出現(xiàn)多余固體物質(zhì)阻塞火箭的氣液管路。超低溫的推進劑直接加注到常溫的火箭貯箱中，兩者溫差達到200多攝氏度，堪比冰水潑到燒得發(fā)紅的鐵板上，會快速汽化生成大量蒸汽，導致貯箱內(nèi)部壓力過高，從而使火箭發(fā)射面臨風險。液氫又極易揮發(fā)和泄漏，少量氫氣就能和空氣形成易燃易爆的混合物，這都為火箭推進劑加注帶來了很大挑戰(zhàn)。

常規(guī)火箭燃料的加注難度主要在于防止劇毒推進劑泄漏帶來的環(huán)境污染和人身傷害。肼類和四氧化二氮都有毒，還容易揮發(fā)泄漏，加注人員需要佩戴工業(yè)防毒面具和防護手套，穿上專用工作服，保護呼吸器官和皮膚。

低溫推進劑的溫度極低又極易汽化，加注系統(tǒng)不僅要適應超低溫的苛刻工況，采取相應的隔熱、絕熱措施，還要及時排放蒸發(fā)的氣體來防止貯箱超壓。

低溫推進劑加注時，為減少揮發(fā)泄漏的影響，一般是直到發(fā)射日才開始加注，而且通常是先小流量對管路和貯箱進行預冷，再大流量進行貯箱加注，最后還要持續(xù)補加到火箭發(fā)射前數(shù)分鐘或發(fā)射時再斷開管路。

不管是常規(guī)推進劑加注還是低溫推進劑加注，都是具有高度危險性的操作。

不斷改進加注技術

隨著航天技術的發(fā)展，液氧煤油、液氧甲烷和液氧液氫等低溫推進劑占據(jù)了舞臺中央，而常規(guī)的肼類燃料正在逐漸退出歷史舞臺。同時，推進劑的加注技術也在不斷發(fā)展，其中，加注過程自動化是最重要的發(fā)展趨勢。

無論是常規(guī)有毒的肼類推進劑，還是低溫的氫氧甲烷等推進劑，都有容易揮發(fā)泄漏和易燃易爆的問題，而傳統(tǒng)加注方式需要操作人員冒著生命危險完成加注管路的對接和進行加注及完成火箭人工解鎖，直到發(fā)射前15分鐘左右才撤離發(fā)射塔架。加注人員作為最后撤離火箭發(fā)射塔架的人，工作的危險性很高，被稱為“刀尖上的舞者”。

為減少火箭發(fā)射前的操作，提高加注過程的可靠性和加注人員的安全性，國內(nèi)外科研人員都積極開展火箭加注過程自動化研究。通過對加注管路自動對接與脫離的充分研究和分析，研制高度自動化的集成式對接脫落連接器，結合減少連接器數(shù)量、簡化電氣接口等對箭體和加注系統(tǒng)的綜合改進，基本實現(xiàn)了全程無人值守的自動加注發(fā)射能力。

無人值守的自動加注能力不僅提高了加注人員操作的安全性，也提高了加注工作的便利性和靈活性。通過自動加注簡化發(fā)射準備工作，能將發(fā)射準備時間降低到1天之內(nèi)，對于保證火箭發(fā)射窗口具有重要意義。對于重復使用的運載火箭來說，縮短發(fā)射流程有利于提高火箭的周轉效率。

自動加注技術實現(xiàn)后，還出現(xiàn)了深度過冷加注技術。以美國獵鷹9火箭為例，它使用了預冷煤油和過冷液氧，通過將煤油和液氧降低到更低的溫度，提高煤油和液氧的密度，大幅度提高了推進劑加注的質(zhì)量，火箭運載能力也因此提高10%以上。

全過冷加注技術需要盡可能快地提高加注速度，因而取消了先小流量加注的步驟，對管路和貯箱預冷后直接進行大流量加注，簡化了加注流程并縮短了加注時間。

另外，隨著航天技術的進一步發(fā)展，推進劑在軌加注也逐漸提上日程，自動加注和深冷加注等技術的出現(xiàn)，也為航天器低溫推進劑的在軌加注奠定了基礎。（ 作者：張雪松）

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