2023年12月15日,长征五号遥六运载火箭顺利将遥感四十一号卫星送到预定轨道,这是时隔三年长征五号再次执行发射任务。
长征五号是我国最大的火箭,因此被形象地称为“胖五”,但别看它体型壮硕,实际上人家身上的铝壳厚度才3毫米左右。但有的人却说,长征五号涂了好几百公斤白漆,所以外壳才那么白。
不是要尽量减轻火箭的重量吗?为什么不像马斯克的星舰火箭一样直接用金属外壳就可以?
皮肤多变的胖五相信大家对长征五号是非常熟悉的,这是我国近年来“出镜率”最高的火箭之一,曾参与“嫦娥五号探月”“中国空间站”等多个项目,但不知道大家有没有注意过长征五号在不同项目中的“皮肤”。
比如本次刚将卫星送上的太空长征五号遥六运载火箭印着“中国航天”的Logo,而此前将发射空间站的长征五号B则是印着“中国载人航天”的Logo。
看到这里想必大家也明白了,长征五号外壳Logo会根据“乘客”的不同而变化,另外其整体构造也有可能会发生变化。
以长征五号B为例,它主要参与空间站的组建,是我国低轨运载能力最强的火箭,体重接近900吨。
2022年10月31日,长征五号B顺利将“问天实验舱”送上太空,这是目前全球最大在轨运行的单体航天器,起飞重量达到23吨。
在这过程中,长征五号B要将“问天实验舱”这个庞然大物送上距离地球400公里的近地轨道,这对火箭的运输能力提出了更高的要求,而提高运输能力的关键就是多装点燃料和提高燃料的利用率。
在设计时,研究人员要想方设法减轻各个部位的重量,因此选择铝合金作为整流罩的原材料,且厚度只有3毫米左右,最薄部分只有0.3毫米。
虽然研究人员想尽办法减轻各个结构的重量,但是长征五号还是涂满了白色油漆。
更有网友质疑称,马斯克主导的太空探索技术公司的星舰火箭外壳就是金属原本的颜色,为什么我们要把火箭外壳涂白?难道只是为了好看吗?
数百斤涂料只是为了好看?我们当然不可能为了追求美观而平白无故地给火箭涂白,毕竟火箭动辄造价上亿元,大到火箭外壳,小到每一颗螺丝钉都是经过精心设计的。
长征五号白色外壳不是用我们日常看到的油漆刷白的,而是由一种特殊设计的白色新型防护涂层构成的。
长征系列火箭大多都是在天津生产的,但像长征五号B的发射地在海南。
因为海南纬度比较低,更靠近线速度更大的赤道,还可以借助惯性产生的离心力降低能耗,所以很多航天器的发射都选择在海南文昌发射场进行。
这就意味着长征五号在制作完成之后,还要跨越大半个中国来到海南,而这个过程会经历环境的变化。
相比较天津等地,海南太阳辐射强烈,年平均气温高、湿度大,还可能会经常出现降雨和雷电,这极其容易对火箭造成腐蚀,因此需要专门为长征五号B打造适应力更强大的皮肤。
但为什么是白色皮肤呢?这跟长征五号B本身的构造有关。
长征五号B被称为“冰箭”,它重量为900吨,其中有高达90%是深低温液氢液氧燃料,几乎就是一个超级低温的“冰箭”。
这种深低温的液氢液氧燃料是主要的液体火箭燃料之一,可以产生更大的推力,早已成为发射大型航天器的首选。
在燃烧之后,液氢液氧燃料不会产生温室气体等各种污染物,几乎全是无毒无污染的水,可见是一种前景光明的清洁燃料,但其温度过低也带来一定问题。
这种燃料中的液氧跟液氢的温度分别是-183℃跟-253℃,这是自然环境几乎没有办法达到的低温。
如果我们直接让太阳光照射到火箭上,将会导致火箭的温度逐渐上升,这将给燃料箱带来更大的压力,严重时会导致燃料箱出现爆炸,因此我们必须考虑隔热问题。
但要是选择增加隔热材料的话,又会占用火箭的空间,不利于提高火箭的推力,因此研究人员选择用白色涂层最大限度地反射太阳光。
据悉,长征五号B的白色涂层可以反射超过90%的太阳光,这样可以避免火箭温度太高而影响性能。
既然这种白色涂层那么好,为什么马斯克的“星舰”不用白色涂层呢?其实“星舰”外面并不是什么涂料,而是不锈钢。
这种不锈钢也不是我们日常看到的不锈钢,而是一种被称为SX500系列的镍基合金,这种不锈钢可以反射超过70%的太阳光,也可以起到隔热的效果,可见“星舰”不锈钢对太阳光的反射率不如“胖五”的白皮。
“星舰”之所以选择不锈钢,是因为不锈钢物美价廉。这种不锈钢的成本大约是每公斤4美元,可以说是非常便宜了。
除了价格很美丽之外,不锈钢的性能也是非常喜人的,无论是在高温还是低温的环境下,不锈钢都有很大的强度,因此只要在迎风面铺一层比较薄的隔热瓦即可。
“星舰”为什么执着于便宜?其实单就对太阳光的反射来讲,“胖五”的白色涂层显然更胜一筹,但对于马斯克来讲,“星舰”追求的是多快好省。
如今“星舰”是最受关注的一款火箭,其一开始的设定就是“可重复回收利用的火箭”。
随着航空实力的增强,越来越多国家掌握卫星发射等技术,同时这需要花费昂贵的成本,而火箭重复利用是降低成本的主要途径之一。
尤其是现在人类不仅想要探索太空,还想要去月球、火星等其他天体建设基地、定居等等,这需要更多的火箭,因此中美等国已经开始研究火箭重复回收利用。
在这一领域,马斯克领导的太空探索技术公司发展速度比较快,现已开始尝试让“星舰”实现回收利用。
同时马斯克还在想方设法降低“星舰”的价格,其预测星舰量产之后成本只要2亿美元,但现在的星舰单是一台“猛禽发动机”就要25万美元,所以马斯克只能在确保性能的同时尽可能地降低各个构造的价格。
除此之外,测试成本也是影响“星舰”设计的因素之一。现在“星舰”还处于测试阶段,且前两次入轨测试均以失败告终。
“星舰”最近一次轨道测试在美国中部时间2023年11月18日,按照原定计划它将持续飞行大约9个小时,但最终还是爆炸了。
在进行轨道测试之前,“星舰”已经多次在各种测试中发生爆炸,就算马斯克再有钱,也经不住“星舰”一直这么烧,所以只能尽量在失败中找原因,争取降低“星舰”成本。
不管怎么说,“星舰”舰体采用不锈钢是首创,这是一次具有创造性的尝试,仍旧值得我们学习。