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【物理揭秘】火箭是如何“加油”的？

自古以来 ， 用兵有个老规矩：“兵马未动 ， 粮草先行” 。 中国古代的战争基本都是靠人力 ， 在那个冷兵器时代 ， 将士们征战四方长途跋涉要消耗一定的体力 ， 粮草在军队作战中具有举足轻重的地位 。 那么对于现代探索太空的长征系列家族来说 ， 火箭的“粮草”又是什么呢？火箭是如何“加油”的?
火箭的推进剂
现代火箭看似复杂 ， 原理其实非常简单 ， 早在17世纪 ， 牛顿就很清晰地进行了描述：如果以一定速度向后抛出一定质量 ， 就会受到一个反作用力的推动 ， 向前加速 。
现代火箭向后抛出一定质量是靠火箭发动机来完成的 。 火箭发动机点火以后 ， 推进剂（液体的或固体的燃料和氧化剂）在发动机燃烧室里燃烧 ， 产生大量高压气体；高压气体从发动机喷管高速喷出 ， 对火箭产生的反作用力 ， 使火箭沿气体喷射的反方向前进 。
为了产生足够的反作用力 ， 火箭的推进剂至关重要 ， 目前最常用的化学能火箭 ， 可以分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固-液混合推进剂火箭 。 在我国现役的长征系列运载火箭中 ， 除“长十一”火箭（CZ-11）外 ， 其他均为液体运载火箭 。
【物理揭秘】火箭是如何“加油”的？
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长征十一号运载火箭在海上发射
液体火箭是如何加注燃料的？
我国新一代运载火箭广泛采用液氢、液氧低温推进剂 ， 典型的就如长征五号系列（CZ-5、CZ-5B） 。 推进剂加注是液体运载火箭发射组织过程的重要操作 ， 其目的是将地面贮存的推进剂按需求输送至运载火箭贮箱中 。 相对于常温推进剂 ， 低温推进剂具有超低温、易相变等特点 ， 加注过程更为复杂 。
低温推进剂的加注方法主要分为挤压式加注和泵压式加注两种 。 前者常用于密度较小的推进剂(如液氢) ， 后者用于密度较大的推进剂(如液氧) 。 低温推进剂易相变消耗 ， 因此往往将推进剂加注操作置于火箭发射日 ， 且尽量临近发射时刻；另一方面 ， 推进剂温度波动会引起物性参数变化 ， 对火箭发动机的性能产生影响 。
为了确保运载火箭性能 ， 加注过程往往会对推进剂温度提出较强的约束性要求 。 然而 ， 贮箱内推进剂温度实际又受到加注过程及停放时间的显著影响 。 因此 ， 确定低温推进剂加注策略是低温液体运载火箭发射流程组织过程中最重要的环节之一 。 鉴于低温推进剂的特性和系统实际需要 ， 目前国内外运载火箭在低温推进剂的加注过程上普遍按照典型的4个阶段实施：
(1)小流量加注阶段 。 该阶段实现对箭上贮箱系统的预冷 ， 避免贮箱处于热状态下的急冷 ， 同时防止贮箱超压 。
(2)大流量加注阶段 。 贮箱预冷至一定程度后 ， 为减少加注时间而提高加注流量 。
(3)减速加注阶段 。 加注至一定液位后为了确保推进剂的加注精度 ， 降低加注速度 。
(4)停放补加阶段 。 为适应箭上飞行需要 ， 补充停放期间蒸发消耗的推进剂 。
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采用液氢、液氧低温推进剂的长征五号火箭
火箭发射点火时 ， 为何会冒烟？
很多人都注意到 ， 我国新一代运载火箭长征五号、长征七号（CZ-5、CZ-7）发射时 ， 会冒出大量的白烟 。 这个白烟主要由两部分构成 ， 大部分是水蒸气 ， 还有一小部分是燃料燃烧后产生的 。 新一代运载火箭采用无毒无污染的液氢、液氧、煤油作为燃料 ， 液体和气体状态的氧都是无色的 ， 燃料的不充分燃烧会带来少量白烟 。
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长征三号乙运载火箭点火发射
火箭发射点火时 ， 哪里来的水蒸气？
新一代火箭点火发射时 ， 箭体尾部喷出的火焰“直击”发射平台 ， 使发射平台表面温度瞬间接近3000摄氏度 ， 即使火箭发射平台由特殊材料制成 ， 表面有防热涂层 ， 也很难承受如此高的温度 。
因此 ， 新一代运载火箭的发射塔上 ， 设有一个能容纳600吨水的水箱 ， 在火箭发射时 ， 水箱中的水通过“大流量喷水降温降噪系统”技术 ， 在火箭飞到5米高以后向箭体尾部火焰中心喷水 ， 喷水量达400吨 ， 这些水会在瞬间被汽化 。
不仅如此 ， 新一代运载火箭等待起飞和飞行时 ， 火箭侧壁也会冒出丝丝白烟 。 在火箭首飞时 ， 有不少观众第一次看到这种情景 ， 担心是不是燃料泄露 。
其实不是的 ， 这是因为火箭使用的是低温贮存的液氢液氧燃料 ， 液氢温度为零下253摄氏度 ， 液氧为零下183摄氏度 ， 所以新一代运载火箭又被成为“冰箭” 。 这些燃料使得火箭内部是远远低于冰点的超低温 ， 在与外界空气接触时 ， 就好像夏天在屋里放了一块冰 。 虽然火箭外壳有真空隔绝层进行保温 ， 但还是会看到少量白烟 。
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长征五号发射点火
【【物理揭秘】火箭是如何“加油”的？】End


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