筑梦“天宫”｜“太空快递小哥”如何防热、防雨又防风

为了保障“太空快递”在运输过程中的安全，研制人员将长征七号火箭打造成了防热、防雨、防风的载人航天专属“货运专车”。

摄影：史啸 姜文博

9月20日，航天科技集团有限公司所属中国运载火箭技术研究院（以下简称“火箭院”）抓总研制的长征七号遥四运载火箭（以下简称长七火箭）在海南文昌航天发射场托举天舟三号货运飞船驶入太空，成功将其送入预定轨道，“天宫”迎来了新的访客。

载人空间站升空后，航天员要在空间站长期驻守，吃、穿、用乃至呼吸所需的物资，都要由货运飞船及时送到空间站，空间站维持正确轨道所需的燃料也靠货运飞船送。因此，作为货运飞船的运载工具，长七火箭在防热、防雨和防风方面采取相关措施。

轻便的“防热服”

火箭飞行过程中，芯级发动机会喷出巨大的火焰，此时，助推器后过渡段要承受喷焰回卷的强热流，其热防护设计如果不够就会造成结构烧蚀，而过度设计又会影响火箭的运载能力。设计师们创新防热材料应用和安装方式，将像“开衫”一样的特制防热毛毡“披”在火箭助推器上，不仅重量更轻，而且防热效率也更高。

据火箭院长七火箭结构设计师姚瑞娟介绍，如果采用传统方法，在助推器后过渡段喷涂防热涂层，生产周期较长。于是，设计人员创新思路，将防热服由“喷”在后过渡段的表面变为“披”在身上。

设计人员采用耐高温的材料，给助推器做了一块柔性防热毛毡。它有“里”、有“面”、有夹层，从靠近芯级的一侧开始“披”上，在远离芯级的外侧开口，就像一件“开衫”一样包裹着助推器，使后过渡段免受大火“烤”验。

而这件“开衫”如何“披”得更牢固，防止它在火箭飞行时滑落呢？姚瑞娟说：“助推器后过渡段外表面有一些凸起的螺钉螺母，为了使柔性防热毡能够紧密地贴合在后过渡段表面，防止其脱落，我们将防热毡的边缘部分用不锈钢条压紧。同时，为防止毛毡中间部分鼓起，每隔300毫米，安装一个不锈钢垫片。通过螺钉螺母实现不锈钢条、垫片与后过渡段连接，这样，这件‘开衫’披身上就再也掉不下来了。”

姚瑞娟介绍，采用传统的防热方式，在助推器上整体喷涂防热涂层，重量在70千克至100千克之间，而新型防热毛毡重量只有20千克左右，重量减轻约75%，且防热效果更好。柔性防热毛毡已在长七火箭上成功应用，后续还将推广应用于其他型号。

摄影：史啸 姜文博

特制“雨衣”

现役火箭发射选择窗口时都会避开雷雨天，而长七火箭则能实现中雨发射，这是因为新一代运载火箭是做了“防水”设计的。

新一代运载火箭发射场气候潮湿，降水量大，全年12 小时内降水5至15毫米的中雨较多。为此，在火箭研制之初，火箭院就接到上级命令，要保证火箭能够中雨发射，这就要求火箭要做好“防水”。

火箭防水都要防哪些水？具备中雨发射能力的新一代运载火箭其实不仅仅要防雨水。很多看过火箭发射的人都见过加注后的火箭，受低温推进剂的影响，箭体表面的温度低，冷凝水像下雨一样顺着箭体流下来，这也是火箭要防的水。除此之外，箭壁、管路上的冷凝水还可能结冰，冰融化又会形成冰霜融化水等。

火箭怎么防水呢？火箭院总体部设计人员卢松涛说，在防水设计中，我们遵循“能在单机解决的，不在系统解决，能在系统解决的，不在总体解决”原则，从“产品源头”解决防水问题。

在新一代运载火箭设计之初，防水功能尽量通过结构设计实现，例如在部段对接处加装密封条、在细小孔径和缝隙涂硅橡胶、在分离面设计密封块等，起吊附件、箭体盖板等配置了密封垫；在排气孔处，设置了内置导流罩，实现排气防水双功能并举；针对低温液体贮箱加注后无法避免冷凝水聚集问题，采取封堵与疏导相结合的思路，在贮箱前短壳与绝热层平齐的位置开设排水孔……

卢松涛介绍：“以长七火箭为例，仅电连接器防水部位就有千余处，这还不包含电缆本体、电缆进出口、仪器本体、仪器与结构缝隙和结构总体专业防水”，防水工作量之大可见一斑。

可抵八级风

海南文昌发射场有“浅层风”，给长七火箭垂直转场带来挑战。火箭院长征七号运载火箭总设计师程堂明告诉记者：“为了提升抗风能力，我们给长七火箭装上了‘防风减载装置’，这样一来，即使遇到8 级大风的天气，‘长七’火箭依旧可以转场，它的抗风能力超过现役火箭。”

一般情况下，陆地上最大的风级为9级，气象学上，8级以上的风便达到“大风”的级别。每年8月至11月，海南文昌发射场会受到强热带风暴和台风的影响，而且，由于临海，风速随着距地面高度的增加而越来越大。

程堂明介绍：“目前，国内主要的4个发射场中，除文昌发射场外，其它的发射场都在内陆，风速随距地面高度的变化不大。”但文昌发射场不同，距地面五六十米高的地方风速要远高于地面风速。“地面感受到的是微风，火箭一级的地方可能就是‘大风’了。我们将这种随距地面高度而变化的风称为‘浅层风’。”程堂明说，这给长七火箭垂直转场增加了难度。

长七火箭在垂直转场时，若浅层风较大，对火箭结构强度是一个很大的考验。考虑到这一因素后，长七火箭型号队伍对火箭局部结构进行了适当加强，并为火箭设计了一个“防风减载装置”。

这套装置采用可伸展的桁架结构，一端固定在活动发射平台的脐带塔上，展开以后另一端与火箭二级发动机机架接头对接，这样在垂直转场过程中将火箭与脐带塔连接起来，能够显著降低火箭受到的风载。

“在长七火箭合练箭执行合练任务时，我们特别安排了垂直转场试验，测风速和载荷。”程堂明介绍。由于当时文昌发射场仅有二、三级风，无法直接得到大风下的试验结果，型号队伍将试验数据与缩比风洞试验的数据进行比对，两者基本吻合。

有了“防风减载装置”，长七火箭不再怕“大风”天气，可全天候转场。