長七、長五有多「冷」？世界主流火箭為何都走向「冷酷」？
2016年，歷經數載研製，我國新一代長征七號、長征五號運載火箭即將迎來首飛。
「長征七號」是為滿足中國載人空間站工程發射貨運飛船需求而研製的新一代中型液體運載火箭。從設計到生產，均採用全三維數字平台，標誌著中國運載火箭邁入了全生命周期數字化的大門。
「長征五號」是中國目前研製規模最大、技術跨度最高的航天運輸系統工程。其近地軌道運載能力25噸，地球同步轉移軌道能力14噸，能將中國進入空間的能力提升2.5倍，並帶動牽引中國現役運載火箭動力系統升級換代。
相對於國內現役長征系列火箭，長征七號、長征五號運載火箭全面大量使用液氧/煤油、液氫/液氧低溫推進劑組合，成為名副其實的低溫火箭，其中長征五號更是因為應用了液氫，得「冰箭」之譽。
「冰箭」接近低溫極限 防水隔熱要面面俱到
長征五號運載火箭在燃料上下了很大功夫，不同於目前使用化學燃料的常規火箭，長征五號運載火箭採用無毒、無污染的液氫液氧作為推進劑。在其800多噸的身體里，90%是-252 攝氏度的液氫和-183 攝氏度的液氧，這已經接近低溫的極限，「冰箭」一名正源於此。
為了防止空氣中的水蒸氣因低溫凝結，火箭設計必須考慮防水設施。
此外，液氫還具有極強的揮發性，而火箭發射時尾部火焰溫度將達到3000 攝氏度，如若隔熱不當，液氫有可能消耗殆盡。因此，必須通過絕熱方式對火箭進行嚴格控制，需給「冰箭」穿上一件厚厚的「絕熱服」，保證火箭不被熱量「入侵」。
「低溫」是歷史的選擇
翻開世界航天探索發展史，我們總能在一次次航天里程碑式的跨越發展中發現「低溫」的身影。
現代運載火箭源於二戰期間德國研製的V2彈道導彈。這是運載火箭技術開啟航天新篇章的一個重要里程碑。歷史在推進劑的首次選擇上使用了低溫液氧和酒精組合。
V2彈道導彈
如果說德國的V2導彈還只是開啟了運載火箭的技術之門，那麼蘇聯將初期同樣用於洲際導彈的R7改裝為運載火箭，並成功發射了人類歷史上的首顆人造地球衛星，就在真正意義上實現了運載火箭的開天之路。這一次，歷史也選擇了低溫液氧和酒精作為推進劑。
R7運載火箭
1961年4月12日，世界第一位航天員加加林乘坐蘇聯東方號運載火箭進入地球軌道運行並安全返回地面，人類載人航天史也由此拉開大幕。這一次，載人的東方號運載火箭推進劑選擇的是低溫液氧和煤油組合。
東方號運載火箭
上世紀60年代初期，美蘇太空競賽將運載火箭技術推到了登峰造極的地步。當時，著名的土星5火箭一子級推進劑選擇了低溫液氧和煤油組合，二子級和三子級推進劑選擇了低溫液氫和低溫液氧組合。
土星5火箭
隨著現代科學技術的進步，人類對於太空的探索、應用需求也日益增加。為了適應這種需求，20世紀末，世界主要航天大國陸續開展了新一代運載火箭的研製。在此輪運載火箭的更新換代中，低溫火箭成了眾人的不二之選。
無論是美國的宇宙神5系列、德爾塔4系列，還是歐空局的阿里安5系列、俄羅斯的安加拉系列以及日本的H2A系列運載火箭，均不約而同地選擇了或者液氫/液氧，或者液氧/煤油的推進劑組合，世界航天運載火箭經過半個多世紀的發展後，在液體推進劑的使用方面呈現出大統一局面。
進入21世紀，太空梭陸續退役，以低成本為目標的美國SpaceX公司研製的獵鷹1和獵鷹9運載火箭，承擔起了空間站的貨物運輸任務。獵鷹火箭推進劑還是選擇了低溫液氧和煤油組合。
獵鷹9運載火箭
可見，幾乎世界航天發展的走過的每一個重要節點上都有「低溫」的標籤，這是歷史的選擇。
研發難度大 技術挑戰多
有一個叫做比沖的參數直接影響了運載火箭的能力，這個參數和推進劑組合類型直接相關。研究發現，低溫推進劑組合的比沖參數往往顯著高於常溫推進劑組合。
從最初德國的V2導彈，到蘇聯的R7火箭發射首顆人造衛星，再到美國成功實施的阿波羅計劃，以至後來的系列發展，人類從未因為低溫帶來的技術困難而放棄過對低溫推進劑的使用。
1993年，印度決定自行研製低溫液氧-液氫發動機，期間經歷了數次挫折，最終在20多年後的2014年才發射成功。
當然，除了卓越的性能優勢讓人們心甘情願地接受低溫推進劑所帶來的技術難題的話，那麼相對於普遍具有毒性和強腐蝕性的常溫推進劑而言，低溫推進劑組合的無毒、無污染特性，也能讓我們說服自己更多地採用這項技術。這也是當前主流火箭均普遍選擇低溫推進劑的另一個重要原因。
可以預見，未來，低溫火箭的數量將越來越多，地位也會越來越重要。
(來源：中國航天科技集團）
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