29-34 半人马座:最成功的上面级_钱卫.pdf
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1、文/钱卫半人马座:最成功的上面级 半人马座 6A 上面级正在安装到运载火箭上“半人马座”是迄今为止,美国乃至全世界最为成功的火箭上面级。它的研发起步于上世纪 50年代,经过多次改进和改型,至今仍然在使用。洛马公司打算继续对它实施改进,在新一代“火神”火箭上使用。这个型号之所以如此成功,用美国宇航局历史学者的措辞来形容,关键点就是“驯服”了液氢这种物质。SPACE EXPLORATION 2023.03|29 形形色色上面级专题 1962 年的半人马座上面级,还不是很成熟 新一代火神火箭将继续使用半人马座上面级效果很好,可以保证在几个小时的飞行期间,液氢液氧各自保持液态。这样的设计非常巧妙,但也
2、充满了风险。在 1962 年 5 月的首航中,半人马座的第一个型号半人马座 A型在发射 54 秒后爆炸,火箭被一个巨大的火球吞噬。调查显示,出问题的就是这个储罐,因为液氢部分破裂,多吨低温燃料后,燃料本身的压力就会让它像吹气球一样膨胀起来,达到很高的强度。为了进一步减轻储罐结构重量,没有为液氢和液氧单独设置储罐,而是在同一个储罐里,用一块玻璃钢纤维蜂窝板隔开两个部分,一部分装比较冷的液氢,另一部分装比较暖的液氧。玻璃纤维蜂窝板的绝热历史半人马座概念起源于 1956 年,当时康沃尔公司的设计师恩里克想为宇宙神洲际导弹寻找一点和平用途,比如发射卫星甚至探月。之所以起这个名字,是期望它能和希腊传说中
3、的半人马怪兽一样,把强大的力量和精确的控制合二为一。恩里克对探月的兴趣很大。他经过计算之后,提出了一种使用氢氧燃料的上面级,把它和宇宙神火箭相结合,就能成为一种有效的航天运载器。宇宙神-半人马座在 1958 年正式立项,由康沃尔公司、美国国防部高级研究计划局(DARPA)的前身和美国空军共同投资。1959 年,美国宇航局取代了 DARPA的角色。经过几十年的辗转变迁,如今宇宙神火箭和半人马座上面级都归入了洛马公司。半人马座的设计有几个核心特色。首先是不锈钢制造的压力稳定推进剂罐,其壁厚只有 0.51 毫米,空罐子甚至无法支撑自己的结构。但是装入 1030|2023.03 SPACE EXPLO
4、RATION形形色色上面级专题 半人马座发射先锋 11 号星际探测器 半人马座上面级的高压气瓶用碳纤维制成燃料喷射而出,被火箭尾焰点燃了。在此前不到一年,美国总统肯尼迪宣布,把载人登月作为国家优先事项。半人马座的爆炸给了美国宇航局一个沉重打击。在事故调查中,太空科学总监霍默纽厄尔表示:“将液态氢驯服到可以执行昂贵的太空任务的程度,比任何人一开始想象的都要困难。”在这次失败之后,美国航天界分成两派。以冯布劳恩为首的一批人要求取消半人马座。虽然它的设计更轻巧,结构所占的重量比例远远小于常规设计,但可靠性实在太差了。不过支持者认为,值得为此开展一场艰苦的研发。特别是 DARPA 首席科学家赫伯特约克
5、曾在 1959 年敦促美国宇航局局长 T基思格伦南“快马加鞭”,因为半人马座是“唯一有能力满足我们高空轨道有效载荷要求的飞行器”。最后一锤定音的是肯尼迪。在半人马座 A 型首次飞行失败后,肯尼迪要求美国宇航局解释,这东西到底有什么用。继任局长的詹姆斯韦伯表示,既然阿波罗计划打算为土星五号运载火箭研制一种液氢液氧的上面级,那么就需要一种先导型号来验证液氢的可行性。此外,美国宇航局还指望宇宙神-半人马座发射勘测者号无人月球探测器,用来确定月球表面是否足够坚硬,能不能让载人飞船着陆。于是,问题集中到了宇宙间分子量最小的元素上了,就是氢。氢作为火箭推进剂,燃烧温度极高(3037 摄氏度)。氢氧组合是目
6、前为止比冲最高的火箭推进剂。但液氧和液氢都是低温气体,所以带来了巨大的技术挑战。尤其是液态氢必须储存在零下 217摄氏度的温度下。为了防止其蒸发或沸腾,以液态氢为燃料的火箭必须小心地与所有热源隔绝,例如火箭发动机排气和在大气中飞行时的空气摩擦。一旦飞行器进入太空,就必须确保其免受太阳辐射的影响。当液态氢吸收热量时会迅速膨胀,因此必须进行通风以防止储罐爆炸。暴露在极冷液态氢中的金属会变脆。此外,液态氢可以通过焊缝中的微小孔隙泄漏。通过半人马座以及土星五号的攻关,美国率先掌握了液氢液氧作为火箭燃料的关键技术,取得了显著的优势,比其他国家领先甚多。我们现在回来说半人马座。经过改进,1963 年 11
7、 月 26 日,半人马座B 的飞行获得了成功。但是之后的半人马座 C 三次飞行全部失败,有两次是火箭故障,第三次飞行的火箭取得成功,但是半人马座的二次点火失败了。再次改进的半人马座 D 终于“驯服”了液氢,投入批量化生产和飞行,共发射了 56 次。1966 年 5 月 30 日,宇宙神-半人马座组合体将第一个勘SPACE EXPLORATION 2023.03|31 形形色色上面级专题测者号着陆器发射到月球。随后,在接下来的两年里,“勘测者号”又发射了 6 次,宇宙神-半人马座组合体的性能让人满意,特别是演示了氢燃料发动机在太空中多次点火的可行性,为氢燃料的后续大气层外应用奠定了基础。到 20
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