火箭箭體材料大比拼

你可能早已發(fā)現(xiàn)，無論是衛(wèi)星入軌，還是航天員飛天，都離不開一位功臣——運(yùn)載火箭。

可以說，運(yùn)載火箭是人類嘗試擺脫地心引力、向星際空間探索發(fā)展的交通工具。

要將如此龐然大物發(fā)射上天，除了要有巨大的推動(dòng)力，還得控制它的體重?；鸺捏w重主要來自于肚子里的燃料，但為了讓火箭順利完成任務(wù)，這些燃料可不能隨意減少。于是，火箭設(shè)計(jì)師們就把目光投向了火箭的外殼——讓火箭外殼變薄，為火箭減重。

想要擁有輕薄的外殼，材料的選擇是首要任務(wù)。

在眾多材料的選拔中，選手“鋁合金”首先脫穎而出。因?yàn)樗粌H重量輕，而且強(qiáng)度高、耐腐蝕，資源豐富，價(jià)格適中，綜合性能優(yōu)秀。

鋁合金長啥樣？在我們的衣食住行中，手機(jī)的外殼、飲料易拉罐的罐身、房屋的窗框、汽車的車身等，都有鋁合金的身影。在航空航天領(lǐng)域中，鋁合金更是常常被打造成“薄如蟬翼”的外衣，給火箭穿上。

盡管如此，火箭設(shè)計(jì)師們依舊在尋找更輕薄的材料，那就是選手“碳纖維”。這是一種先進(jìn)的復(fù)合材料，重量極輕，可惜用碳纖維造火箭，不但制造工藝更復(fù)雜，而且要花更多的錢，并不適合大規(guī)模使用。

不銹鋼竟成“黑馬”？

第三位選手著實(shí)讓人意想不到，那就是不銹鋼。你沒看錯(cuò)，就是家里那種高壓鍋、保溫杯、餐具等使用的材料。原本火箭設(shè)計(jì)師們并沒把它考慮在內(nèi)，因?yàn)樗袀€(gè)不容忽視的缺點(diǎn)：重。這與火箭需要減重的初衷相違背。

那為什么它會(huì)出現(xiàn)在比拼名單中呢？因?yàn)楹推渌髁骷w材料相比，它有兩個(gè)非常突出的優(yōu)勢：耐高溫低溫、極其便宜?；鸺M(jìn)入大氣層時(shí)，要面對超高溫，而不銹鋼比目前任何主流箭體材料都要耐高溫；進(jìn)入太空后，面對的更多是極寒環(huán)境，而不銹鋼在低溫下的強(qiáng)度竟能提高50%。

作為空天之間的交通工具，如何使火箭能夠有來有往，重復(fù)使用，也是火箭設(shè)計(jì)師們正在思考的問題。拋開重量不說，廉價(jià)的不銹鋼能在冰火兩重天中自如往返，的確在火箭重復(fù)使用上具備明顯優(yōu)勢。

只是，不銹鋼的重量問題，該怎么解決呢？

大力出奇跡

想要推動(dòng)重物上天，推動(dòng)力得強(qiáng)勁。從原理上來講，火箭能夠上天，得益于發(fā)動(dòng)機(jī)中攜帶的推進(jìn)劑發(fā)生反應(yīng)，產(chǎn)生高速噴射的熱氣流進(jìn)行推進(jìn)。這就意味著，如果想要采用不銹鋼造火箭，那么發(fā)動(dòng)機(jī)必須足夠優(yōu)秀。

這一點(diǎn)，在國外的大型運(yùn)載火箭中已得到驗(yàn)證——“星艦”中的“猛禽2”發(fā)動(dòng)機(jī)，個(gè)子雖小，但推力十足，彌補(bǔ)了不銹鋼在重量上帶來的損失。

“猛禽2”發(fā)動(dòng)機(jī)使用液態(tài)甲烷和液態(tài)氧氣作為燃料，是可重復(fù)使用的一款發(fā)動(dòng)機(jī)，具有高效率、高推力和高比沖的特點(diǎn)。多臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)一起發(fā)力，事半功倍。

“朱雀”飛天在即

2024年1月19日，一枚帶著三只“腳”的不銹鋼“大柱子”，出現(xiàn)在酒泉衛(wèi)星發(fā)射中心，點(diǎn)火升空，成功發(fā)射。在飛行至350米左右的高度后，它又成功返回著陸，完成了一次大型垂直起降飛行試驗(yàn)。

這枚不銹鋼“大柱子”，就是朱雀三號(hào)火箭的首枚試驗(yàn)箭。它圓滿完成飛試任務(wù)，為朱雀三號(hào)實(shí)現(xiàn)2025年“首飛”奠定了重要技術(shù)基礎(chǔ)。

△ 朱雀三號(hào) 圖源：藍(lán)箭航天

朱雀三號(hào)是誰？它就是我國首款不銹鋼運(yùn)載火箭，配備有液氧甲烷發(fā)動(dòng)機(jī)。

2024年4月15日，朱雀三號(hào)順利完成“十公里級飛行”改造和總裝工作，將全面轉(zhuǎn)入最后的總測和出廠階段。

我們期待著這枚“朱雀”飛天，助推中國商業(yè)航天跨進(jìn)大運(yùn)力、可重復(fù)、低成本的衛(wèi)星互聯(lián)網(wǎng)時(shí)代。

小知識(shí)

☆星艦：是美國一家企業(yè)研發(fā)的大型運(yùn)載火箭系統(tǒng)，采用船箭一體化設(shè)計(jì)，包括超重火箭級和星艦飛船級，計(jì)劃用于載人登月，甚至是火星移民，從而解決人類面臨的環(huán)境和能源問題。

☆甲烷：我們家中使用的天然氣的主要成分，便是甲烷。它無色、無毒、可燃。

☆比沖：是衡量火箭發(fā)動(dòng)機(jī)特性的重要參數(shù)，比沖越高，火箭獲得的總動(dòng)力就越大，最終的速度就越快，射程就越遠(yuǎn)。

來源/中國科普作家協(xié)會(huì)

文/沈文仟

編輯/楊斯爽

審核/宿愿

監(jiān)制/姜軍

本文轉(zhuǎn)載自公眾微信號(hào)：中國航天科普

內(nèi)容來源：中國科普作家協(xié)會(huì)

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