中雨可发射、八级风可转场，载人航天专属货运火箭风雨无阻

中国空间站又要“补货”了，长征七号遥四运载火箭和天舟三号货运飞船组合体已经在海南文昌发射场蓄势待发。航天员在空间站长期驻守所需的物资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。
长七火箭是由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”）抓总研制的新一代中型运载火箭，也是载人航天专属“货运专车”。
为了保障“太空快递”在运输过程中的安全，长七火箭兼具防热、防雨、防风特点。其采用的新型防热毛毡较传统放热方式减重约75%；不惧风雨，中雨可发射，八级大风可转场……

长征七号遥四运载火箭。 通讯员/受访者 史啸 姜文博 供图
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公斤至100公斤之间，而新型防热毛毡重量只有20公斤左右，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。

长征七号遥四运载火箭。 通讯员/受访者 史啸 姜文博 供图
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？要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的冷凝水聚集问题，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—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，其他的发射场都在内陆，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的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。
【记者】吴扬 发自海南文昌
【后方联动】王诗堃 徐勉
【摄影】史啸 姜文博
【作者】 王诗堃；吴扬；徐勉
　　科技能见度

---