弹道导弹与运载火箭的过冷推进剂技能

小火箭出品 必属精品

本文作者：邢强博士

本文共13186字，65图。预计阅读时间：1小时30分钟。

7年前，在2013年，全世界范围内关于可重复使用运载火箭，有一个广泛而又深刻的大讨论。主题就是：可重复使用运载火箭到底是否可行？熟悉小火箭的好友们大概都还记得，小火箭给出了可重复使用运载火箭的弹道计算和总体设计概念，后续甚至针对具体型号进行了成本分析。

可是，当年极力反对发展可重复使用运载火箭的人，也并非对火箭毫无了解的人。他们当年为什么给出了“可重复使用运载火箭中，为了给复用准备的多余燃料，会吃掉几乎所有的火箭运力，而使得可重复使用运载火箭从实用角度来说是不可行的”这样的在今天看来（可重复使用的猎鹰9号运载火箭，不仅没有被吃掉运力，反而具备一箭60星的发射能力）有些令人吃惊的结论呢？

如今，当年那些极力反对火箭重复使用技术的人，大多和小火箭达成了和解。

这样一个世界上，善恶是个复杂的事情，但愿每个人都能够被温柔以待吧！

很大一部分人如今都在摒弃传统的基于自身所处利益集团的角度出发来思考问题的方式，转而开始基于技术的客观辩证规律本身，从全人类的福祉和国家的利益角度出发来进行判断了。

本文仅探讨技术本身，不再提当年的对错，同时接受那些人对小火箭的道歉。更重要的是，感恩这些年来大家对小火箭的鼎力支持。假如没有大家的支持，恐怕小火箭一天都无法再支撑下去。

实际上，当时那些人给出了不符合工程实际的计算结果，本质原因主要在于忽视了甚至是不了解液体推进剂的过冷技术。

本文，小火箭将从历史渊源、技术萌芽、苏联和美国的应用实践、我国（小火箭）对低温液体推进剂的加注和过冷技术的探究这四个角度来做多元化的分析。

缘起

爱因斯坦博士的书房里，有3张人物画像。这3位是爱因斯坦崇敬的科学家：法拉第、牛顿、麦克斯韦。本文的一切因缘，皆因法拉第而起。

众所周知，法拉第是人类的电化学的创始人，他对带电导体的研究为电磁场的理论奠定了坚实的基础。另外，阳极阴极、电离电解等学术概念也和他有着直接的关系。法拉第发明的本生灯为全世界的化学实验室带来了便捷可靠的热源。

在化学领域，法拉第深刻研究了液化技术，从而为现代工业提供了一项有力的支撑技术。到1845年，法拉第已经对当时人类能够大量获取的大多数的气体实现了液化。不过，有6种气体，他当时无论用怎样的方法，做多大的努力，都没能成功液化。

这就是困扰法拉第 一生的六种“永久气体”：氢气、氧气、氮气、一氧化碳、甲烷、一氧化氮。

于是，带有浓郁科学乐观主义的预言诞生了：人类一旦实现了对这六种永久气体的液化，哪怕是飞向天空和奔向月球，也能实现的！

后来，人类工程师认准了一个道理：只要温度足够低，气体该液化也差不多都能液化。就这样，随着低温技术的进步，在1877年，法国人实现了对空气的液化。紧接着，在1883年，波兰人终究制成了液态氧。

预言，也在100年之内接连兑现了：1903年，第一架重于空气的载人飞行器进入天空，以莱特兄弟和桑托斯·杜蒙为代表的航空先驱给人类插上了翅膀；1969年，人类在月球上踩下了第一个脚印，人类的一大步，完成跨越。

而人类登月所用的土星5号运载火箭，的确和液氧有着巨大的关联：火箭总重3000吨，其中2000多吨是液氧，占火箭总重的将近70%！

不过，正如冯·布劳恩博士所言：“我年轻时候发展的技术，的确令人振奋，并且直接促成了人类的登月计划和航天飞机项目，但是我那时候研究的飞行器，飞行过程没问题，而弹头却落错了地点。”

二战

小火箭第一定律：到目前为止，在人类工程技术的历史上，基本上没有先进的技术能被军队忽视，无论是为了更好的提高人类生活品质还是仅仅为了满足人类的好奇心，这些人中的大多数最终都被用来提高军队的战斗力。——邢强

成功被液化后的氧气，体积缩小到原来的861分之一，而质量保持不变。作为地球上第二多的气体和几乎是最好用的氧化剂（性能稍逊于氟气，但氟的剧毒性和昂贵制造成本使其难以大量应用），氧气终于开始在人类在20世纪的大战中诞生的技术结晶：V-2弹道导弹上发挥重要的作用了。

V-2弹道导弹是人类第一款弹道导弹，是目前人类所有运载火箭和弹道导弹的鼻祖。

以3810.1公斤的75%酒精为燃料，以4910.3公斤的液氧为氧化剂，这种长14.0米，直径1.651米的飞行器，在穆勒摆式陀螺加速度惯导单元的控制下，以飞行的最大时速能达到5761公里/小时，可以把975公斤重的阿马托弹头（内含910.3公斤TNT和硝酸铵的混合物）投掷到320公里之外。

到1941年年底，V-2弹道导弹相关的四项关键技术全部完成技术攻关：大型低温燃料液氧酒精火箭发动机、惯性导航技术、耐超高温燃气舵先进材料与零部件加工技术、超声速空气动力学理论。

1943年，31岁的布劳恩博士被直接任命为V-2弹道导弹项目的总负责人，掌管一些相关人力和物力。V-2导弹项目的进展神速。

意识到问题严重性的盟军开始有明确的目的性地打击德国的科研生产设施。1943年8月18日夜晚，代号为“九头蛇”的外科手术式定点轰炸项目启动了。

596架英国皇家空军的飞机从第5、第6和第8航空兵团基地分三波次起飞，直扑德国佩内明德弹道导弹研究中心。

这596架飞机中，有324架兰开斯特轰炸机、218架哈利法克斯轰炸机、54架斯特林轰炸机，其他则是兼具精确轰炸与护航任务的蚊式。

上图为夜间轰炸型兰开斯特轰炸机。小火箭是通过该机发动机排气管上的金属罩来判断的。大功率螺旋桨发动机的排气管，经常会喷出火焰或者明亮的高温烟雾，为了尽最大可能避免夜间轰炸机被敌方过早发现，就用这样的金属罩把排气管遮盖住。这算是早期萌芽的隐身思想了。

英国皇家空军特意选择了满月时分实施轰炸，就为了能够给目视精确轰炸提供有利条件。

上图为英国皇家空军参与九头蛇轰炸行动的轰炸机指挥官塞尔比上尉在二战后公开的一张轰炸目标指示图。

小火箭根据好友提供的佩内明德研究中心的详细情况，弄明白了上图的字母表示的含义：A：导弹研究所；B：V-2导弹车间 ；C：发电厂；D：火箭发动机试车台；E：结构测试厂房；F：工程师居住区；G：机场。

第一波次的轰炸，非常成功，佩内明德研究中心75%的建筑被炸毁，V-2弹道导弹的液氧酒精火箭发动机的首席工程师沃尔特·泰尔博士和火箭工厂建设工程首席工程师埃里希博士当晚在火箭发动机生产车间加班，不幸被炸弹直接命中；

第二波次的轰炸，把佩内明德研究中心的关键零部件仓库摧毁了。不过有一些轰炸机在沿海大风的吹拂下，偏离的航线，没能炸到佩内明德研究中心的总设计师和关键工程师住所；

第三波次，准备直取布劳恩博士和其他100位科学家的性命。但是，该波次轰炸机遭遇了非常顽强的抵抗。德国夜间战斗机的飞行员们，为了保护布劳恩博士和其他科学家，拼尽全力，弹药打光后，几乎全部选择了撞向来袭的轰炸机。这使得英国皇家空军在14分钟27秒内，连续被击落28架轰炸机，不得不提前终止行动，返回基地。

英国皇家空军的“九头蛇行动”给人类带来了2个主要影响：

第一，全世界科学家强烈谴责英国试图谋杀科学家的行径。毕竟战争是政治的延续，各国的科学家，虽然为各自的祖国服务，但是科学家和工程师，是全人类应当珍视的宝贵财富。

第二，液体火箭发动机首席工程师的身亡，让V-2导弹手头的液氧酒精火箭发动机成为了在整个二战期间几乎唯一拿得出手的液体火箭发动机，有关替代低温推进剂液氧的常温可贮存推进剂的研究计划戛然而止，人类运载火箭和弹道导弹技术的发展，被那颗炸弹拖慢了五年以上。 第一个影响，盟军很快就纠正了。这就是“回形针计划”诞生的契机。该计划是要在二战结束之前，锁定德国的科学家和工程师，并且尽全力保障他们的安全，然后在战后将他们引进到美国。

（英国大概暂时是难以得到全世界科学家的原谅了。手上沾有火箭科学家鲜血的英国，因为同时也错过了曼哈顿工程和大量的科学项目，逐渐在人类科学领域向二流滑落。）

二战期间，1603名科学家和工程师被锁定，其中关键的就是104位火箭工程师，其中布劳恩博士、多恩伯格、穆勒、迪亚特等人直接促成了美国红石弹道导弹、多款高超声速飞行器、土星5号运载火箭和航天飞机的诞生。

而人类第一位液体火箭发动机的工程天才泰尔博士的殒命所带来的损失，是巨大的。

泰尔博士致力于新型火箭发动机的研制，对低温燃料的可持续贮存甚至未来在太空和月球的人类永久驻留基地所需的火箭发动机都有非常前瞻性的研究。

泰尔博士在1943年的离去，使得人类的火箭发动机技术暂时被锁定在了依赖液氧的层面，后续发展的选项，都暂时变灰了。

液氧，作为氧化剂本身，当然是合格的，甚至说是相当优秀的。

V-2弹道导弹的带有1224个喷注孔的火箭发动机，75%的酒精在纯氧环境中剧烈燃烧，赋予导弹燃烧室2695℃的高温，使得V-2弹道导弹成为了人类梦寐以求的挣脱地球引力的动力来源。

实际上，二战结束后很长一段时间里，美国、苏联和法国都是借助俘获而来的V-2弹道导弹进行太空探索研究。

V-2导弹在进行科学研究的时候，弹道最高点甚至达到了206.1公里，还搭载了人类第一台太空相机，拍摄了地球的第一张自拍照。

但是，从发射准备和发射保障的角度来看，液氧实在是难以驾驭的。 1883年，波兰科学家代表全人类，成功实现了氧气的液化。但是几乎同时，这些科学家就断定，液氧的工业化应用历程将会是极其艰难的。 液氧的沸点为-182.96℃，在一个标准大气压（101325帕斯卡）和20℃的室温条件下，液氧变成的氧气，其体积是液氧本身的861倍！ 这在某种程度上预示着，液氧是提供人类工业氧化剂和医学呼吸气源的理想工质。但是也同时意味着，要想驾驭液氧，要么维持一个足够低的温度让液氧不沸腾，要么使用足够强大的容器维持液氧变成氧气后巨大的压力变化。

1943年的德国，这两个条件，都不具备。 他们怎么做的？ 答：既不维持足够的低温，又不用强大的容器硬撑，而是在导弹的液氧贮箱上按照一个泄压阀，当导弹贮箱内沸腾的液氧产生出的大量氧气让贮箱压力达到一个阈值的时候，阀门开启，把氧气泄放出来，减轻贮箱压力。 实际上，时至今日，全世界所有的运载火箭和洲际弹道导弹，凡是使用液氧作为氧化剂的，依然是这样做的。

到1944年9月15日，V-2弹道导弹量产数量达到1900枚。考虑到高峰时期每天发射100枚的需求量和弹道导弹本身对结构质量的极致追求，液氧就只能被草草地加注到导弹贮箱内。而薄薄的铝镁合金液氧贮箱，并没有采用特别的隔热设计。 这使得，滚滚沸腾的液氧，在V-2导弹内因蒸发而损失的量，占火箭本身液氧需求量的40%，而考虑到运输过程中的液氧损耗，每枚V-2火箭本身燃烧所需4910公斤液氧，而实际每一枚火箭耗费的液氧超过10.5吨。 V-2弹道导弹，共生产了6049枚，在德国无条件投降之前，发射了3226枚。算上V-1巡航导弹项目，V-1和V-2导弹的研发与生产总支出，换算成今天（2020年3月）的美元，为472亿美元，比研制原子弹的曼哈顿工程的总支出还要高出51.3%。 这其中，液氧酒精燃料所消耗的人力物力占了很大一部分。 V-2弹道导弹所需的酒精，占了德国酒精产能的三分之一。在食物极其短缺的时候，德国因为工业设施被轰炸，不得已采用了传统的酿酒工艺来生产酒精。为了酿造供应1枚V-2弹道导弹所需的酒精，需要30吨土豆。

液氧是通过在发射场周围大量建造液氧加工厂获取的。二战德国的液氧加工厂，是标准化厂房，第一个标准厂房是1942年7月27日投入运营的。这样的厂房，长73.10米，宽42.60米，高20.80米。工厂的输入，就两种：空气和电力。 工厂采用复杂的汉普森-林德法制氧。汉普森-林德循环，通过一系列压缩和膨胀，让空气在膨胀过程中逐渐降温，直到达到让空气中的氧气和氮气液化的低温。 林德循环和后来大名鼎鼎的西门子循环法的唯一区别，就是西门子循环是通过对外做功来降温的，而林德循环则是不需要移动部件，通过焦耳效应来降温。

1913年，林德循环造出了人类第一杯液氦，使得德国物理学家亨克尔·昂内斯获得了诺贝尔奖。而不到30年之后，这项技术就得到了大量的工程应用，为V-2弹道导弹生产液氧了。

标准化的工厂，三班倒，24小时工作，每天可以生产15吨液氧。在罐装到槽车内后，快递运输到发射场。 林德法是人类少有的能够大量生产液氧的方法，优点很多，但是缺点就是非常耗能。每一座标准化液氧工厂的功耗，为30兆瓦！详见小火箭的功率尺度报告。

30兆瓦是什么概念呢？美国现役的洛杉矶级核潜艇的峰值功率，为26兆瓦。二战期间，一座标准化液氧工厂的功率，相当于1.2艘洛杉矶级核潜艇。换算成马力，就是40231马力。这样的功率，足够10000个现代家庭日常所需。

耗费珍贵的电能生产出来的液氧，当然要得到好好的使用。但是，在运输和加注过程中，还是有大量液氧在蒸发的过程中被损耗了。怎样才能少损耗一些液氧呢？工程师提出了过冷的概念。 所谓过冷，就是让原本温度已经非常低的液体，进一步降温，直到温度低于其沸点，从而改变其沸腾的状态。 林德法生产液氧，稍微再努力一下，就可以产生副产品：液氮。 在常压环境中，液氮的沸点为-196℃，低于液氧的-183℃。把液氧储罐浸泡在沸腾中的液氮池中，就可以有效降低液氧的温度，直至其低于自身沸点。 这样的液氧，被德国工程师称为“冷静液氧”。 再后来，带有低温循环泵的V-2弹道导弹液氧液氮循环冷却系统诞生了。 在该系统的助力下，过冷液氧不再时刻处于沸腾状态，蒸发损耗也就大幅度减少。到后来，发射一枚V-2导弹所需的液氧总量，从10.5吨减少到了5.5吨。 这确保了大量液氧工厂被炸毁的情况下，德国依然有能力大量发射V-2导弹。 泰尔博士致力于寻求液氧的替代物，但出师未捷，因战争原因先去和法拉第会合了。 不过，泰尔博士的继任者，发明了在弹道导弹液氧运输和加注的过程中采用过冷技术来减少液氧损耗的方法。该方法实际上让液氧成了一种可较长时间（10天）贮存的液体，也就推动了德国工程师用U艇潜水艇搭载V-1巡航导弹或者V-2弹道导弹，然后潜航到美国海岸附近来打击美国本土的设想。

不过，到二战结束的时候，这个设想也没能完成完全的工程化。相关技术被美国人拿到，并在上世纪50年代实现（“泪滴行动”）。

★苏联★

二战结束后，苏联大量专列开往德国，然后把德国大量的工厂设备运到了苏联。从此，苏联的弹道导弹和运载火箭技术开始大量吸纳德国的弹道导弹技术。

1953年，苏联工程师开启了人类第一款洲际弹道导弹R-7的研发。 R-7，起飞质量超过280吨，设计指标是能够将3吨重的弹头投掷到8000公里之外。

1957年8月21日，一枚R-7弹道导弹在拜科努尔发射场起飞，随后命中了6000公里外的太平洋靶场指定区域。从而标志着人类的弹道导弹技术进入了远程和洲际化的时代。

1957年10月4日，一枚由R-7弹道导弹改装而成的运载火箭（人类第一枚真正意义上的运载火箭），把人类第一颗人造地球卫星斯普特尼克1号送入预定轨道，航天时代来临！ 1960年，R-7弹道导弹改装而成的载人火箭把尤里·加加林送入太空，人类从此成为太空物种。 1961年2月12日，R-7洲际弹道导弹改装而来的运载火箭，发射了人类第一颗金星探测器，人类开始认认真真去了解毗邻的行星。 大量月球探测器、火星探测器、金星探测器的发射，均仰赖于R-7系列弹道导弹改进而来的火箭。而后来，该火箭逐渐定型为一个兼具货运和载人能力的运载火箭家族，名为“联盟”。

包括联盟系列运载火箭在内的R-7弹道导弹/运载火箭家族，在小火箭发布本报告的时候，已经发射了超过1900枚，成为当之无愧的人类发射数量最多的运载火箭家族（其他运载火箭，发射总数量都未能超过200）。

而R-7弹道导弹，在一开始，就注重过冷液氧技术的应用。 所有液氧，在发射场的储罐里，先被循环冷却到-196.15℃，再被加注到火箭中。 这样，在大幅减少液氧蒸发损耗的同时，还带来了另外一个额外的大好处：相同容积的液氧贮箱，加注过冷液氧，能轻松的获得更多的质量。 常压沸腾状态下的液氧，温度为-183℃，密度为1142千克/立方米，略重于水。而联盟运载火箭的过冷液氧，密度为1202千克/立方米，密度比普通液氧增加了5.2%。

这就从另一方面代表着，在火箭贮箱容积不变的情况下，维持原有结构重量和管路阀门系统的情况下，过冷液氧比普通液氧多出了5.2%的质量。

按液氧占整个火箭的比例来算，通过弹道计算，结合其他因素，可知，采用过冷液氧，联盟运载火箭比普通液氧方案，多带了10.74吨液氧！ 综合考虑，相当于增加了516公斤的载荷能力。 这就是联盟系列运载火箭几十年来不常向外人诉说的一项技术法门。

当然，苏联对过冷液氧技术使用得最为彻底的，要数R-9洲际弹道导弹了。

R-9洲际弹道导弹，是人类过冷液氧技术的一个巅峰。 在她之前，过冷液氧无非是减少液氧损耗的一种手段，后来的运力增加，则更多地是一种机缘巧合。

而R-9洲际弹道导弹，则使用了过冷液氧技术让一种采用低温推进剂的战略武器的发射准备时间从10个小时一步到位减少为19分钟30秒；她把液氧在导弹贮箱内的可靠存储时间，从二战期间德国的1小时到二战末期的10天，大幅提升为整整1年！

安东尼·克里沃诺索夫，苏联SS-7，SS-8（也就是R-9弹道导弹），SS-9，SS-15，SS-18，SS-19弹道导弹制导系统总设计师；能源火箭制导控制管理系统总顾问；Tsiklon，Kvant，Kvant-2，Kristall，Priroda，Spektr和Kosmos系列的152颗卫星制导控制管理系统总设计师或总顾问，当年给出了决心：只要R-9弹道导弹的动力系统跟得上，他作为制导控制管理系统总设计师，有信心发展出一种在未来几乎无法被拦截到的导弹弹道。 1961年，R-9洲际弹道导弹首飞，圆满成功！

在过冷循环状态下，贮存在导弹贮箱内的液氧，时刻处于过冷状态，在贮存了8个月后，一键点火成功！

导弹飞行了11000公里，把1.6吨重的模拟弹头打到了太平洋，而误差仅为1.6公里（这是不依赖于任何外界信息的全惯导打击，而且准备时间只有19分钟，在上世纪60年代，属于科幻级别的精度了。） R-9洲际弹道导弹，采用-202℃的超级过冷液氧。导弹的液氧贮箱和外部的过冷循环泵相连，实际上成为了地下液氧生产工厂的循环管路的一部分。 这个在地下拥有八层结构的R-9洲际弹道导弹发射井，能够在第一枚导弹发射后两个半小时之内，完成第二枚R-9洲际弹道导弹的发射。 R-9洲际弹道导弹的理论射程，超过1.6万公里。这种起飞质量达到80.41吨，直径为2.68米，长度超过24.19米的庞然大物，是人类最后一款采用液氧煤油为推进剂的常备洲际弹道核导弹。 二级构型的R-9弹道导弹，在1963年9月，还有着一个三级拓展版本，实现超过4万公里的射程，实际上就是轨道轰炸了。这个概念，用于应对美国日后将要部署的弹道导弹防御系统。 虽然当时很多人认为，拦截洲际弹道导弹是天方夜谭，但是苏联有前瞻视野的工程师们，是相信的，而且他们认真进行了应对研究。 升级版本的R-9洲际弹道导弹，因为过冷液氧赋予的快速响应能力和强大的投掷能力，可以绕飞南极上空，经佛罗里达州来打击华盛顿特区。 而美国人也是非常相信苏联工程师干得出来，所以他们在佛罗里达州部署了朝向南方的超级雷达来进行预警。不过，这一切，被一场突如其来的爆炸打乱了。 10月24日，是个有着很重要象征意义的节日。因为1024是2的10次方，是一个非常非常整的整数，所以10月24日被定为全世界数学家、工程师还有广大程序员的节日。 公元1946年10月24日，从美国新墨西哥州发射的一枚产自二战德国的V-2弹道导弹，飞到了外太空，成功拍摄和回传了人类第一张地球自拍照片。1024，也就和摄影、太空还有诸多结合了技术和艺术的美感一起，成为值得让全人类共同赞赏的日子。

然而，1963年10月24日，在苏联拜科努尔航天中心，则发生了一件大事。

这一天，R-9洲际弹道导弹的发射井里的3台氧气浓度传感器，均发出了警报，认定氧气浓度过高。（地球大气中的氧气浓度为20%，R-9洲际弹道导弹过冷液氧发射井的准许氧气浓度最大值为21%，而当日的发射井氧气浓度达到了32.1%）。 每一个R-9洲际弹道导弹的发射井里，都有11名发射管理和工程人员。当日，他们把情况通过加密无线电链路上报之后，火箭设计单位立即要求打开发射井盖，关闭液氧工厂，启动应急泄放程序。 但是，在开启发射井盖的过程中，发射指挥人员又发现R-9洲际弹道导弹的RD-111火箭发动机的支撑座3号和5号传感器闪灯报警。 指挥人员认为，有必要先去检查一下发射井底部发生了什么情况，是不是有外人侵入，于是就乘坐发射井内的电梯下降到了第8层。 而就在指挥人员的手还握在电梯扶手，而脚碰触到发射井底部的瞬间。一道闪光突然从指挥人员的脚尖闪了一下，随后电梯的配电盘发出了数声吱吱的电流声。 随后，巨大的爆炸出现了！ 火球摧毁了整枚R-9洲际弹道导弹（幸好230万吨当量TNT的核弹头的保险系统稳妥可靠，弹头没炸），把29米深的导弹发射井变成了一个巨大的锥形弹坑。发射井内的11人中，7人当场毙命。 发射井副指挥伊万比较机灵，在发现第一道闪光的时候，就把自己赶紧裹在了防火毯中躺在了电梯轿厢的角落，虽全身多处受伤但逃过一劫。 当他心有余悸地向前来救援的人讲述整一个完整的过程的时候，拜科努尔基地的人想起了这个巧合： 整整三年前，同样也是在10月24日，当时的伊万诺维奇·内德林炮兵元帅突然乘坐专机来到拜科努尔发射场，责令基地要在1960年10月24日完成R-16新型洲际弹道导弹的发射，以便结合整个一系列活动来庆祝11月7日的十月革命。 盲目的指挥和某些个别要求高于技术本身的决策，让R-16洲际弹道导弹在1960年10月24日的拜科努尔航天中心当场爆炸，100多人陪着内德林元帅瞬间被气化。

而1961年10月24日的R-9洲际弹道导弹的发射井事故，给后人留下了三个影响至今的遗产：

第一，液氧煤油推进剂方案，不再成为可贮存的洲际弹道导弹推进剂的选项。R-9成为人类最后一款采用低温推进剂的洲际弹道导弹； 第二，美国在德克萨斯州（得克萨斯州）和佛罗里达州的超级雷达，也就再也等不来R-9过冷液氧洲际弹道导弹了。不过，该雷达如今依然在服役中。她的任务不再是预警洲际弹道导弹的来袭，而是监测太空中尺寸超过10厘米的空间碎片了。这些雷达至今依然是人类最趁手的空间监测基础设施； 当年是为了应对苏联的超级过冷液氧洲际弹道导弹而部署的雷达，如果按今天的经费审核标准，那断然是建不起来的了。 第三，鉴于1960年和1963年的两次巨大爆炸都发生在10月24日，苏联决定，拜科努尔发射场在10月24日当天，全员放假，不得进行任何与弹道导弹和运载火箭相关的发射、测控甚至是研究活动。该决定，今天依然被严格遵守着。

☆美国☆

美国对过冷液氧技术的应用，相对较晚。出于对苏联洲际弹道导弹技术的恐惧，美国一开始就下定决心发展二次核反击的能力。

这样的化，对洲际弹道导弹的快速响应能力就提出了非常高的要求。

所以，能够在常温长期贮存的推进剂，就成了关键技术。1962年3月12日首飞的大力神-2型洲际弹道导弹，采用混肼50和四氧化二氮常温推进剂。（当然，这样的推进剂实际上也有爆炸的时候，详见小火箭的纪实报告《一柄扳手引发的美国核导弹大爆炸》）。

戴维斯空军基地，等待退役拆解的大力神-2型洲际弹道导弹，有38枚半。摄于2006年。

后来，苏联、法国也采用了偏二甲肼/四氧化二氮常温推进剂组合。人类最后一款过冷液氧/煤油低温推进剂洲际弹道导弹在1966年停产，在1971年开始启动退役流程。

我国的首枚运载火箭在1970年4月24日把中国第一颗人造地球卫星送入预定轨道，因此就没有经过那个纠结的5060年代，一开始就选定了偏二甲肼/四氧化二氮的常温推进剂方案。

美国对过冷液氧技术的大量应用，可以追溯到上世纪60年代的阿波罗时代。

土星5号运载火箭，起飞质量3000吨，为三级构型。第一级推进剂为液氧/煤油组合，第二级和第三级为液氧/液氢组合。 也就是说，土星5号运载火箭的三个级段都采用液氧为氧化剂。1枚土星5号的液氧需求量，超过2000吨。 这些液氧，有25%是过冷的，在最后的补加阶段加入。有关低温推进剂加注的流程，小火箭将会专门写一个专题。 土星5号运载火箭值得一提的是，她的液氢也是过冷的！ 三相点深度过冷液氢使得土星5号运载火箭的运载能力提升了32%，而有关固态氢的研究，将会进一步把火箭的运载能力提升40%以上。

可惜，阿波罗计划在上世纪70年代戛然而止，空留一个传奇和大量前沿技术。

不过，后来的半人马座上面级还是尝试用了一些过冷液氢和过冷液氧的技术。

美国大量使用过冷技术的，就是SpaceX公司的猎鹰-9号运载火箭了。

在发射前90分钟，常温煤油被冷却到-7.15℃，这个温度下，煤油的密度比常温煤油提升10%以上，而粘度变化不大。再冷下去，则会付出粘度增加而影响管路阀门效能的代价。

而且，猎鹰-9号运载火箭所用的航天级精炼煤油的在-37.15℃就会被冻住了，所以考虑到安全和保留一定的裕度，取-7.15℃的过冷煤油是合适的。

液氧在常压情况下，沸点是-183℃，凝固点为-218.79℃。猎鹰-9号运载火箭取过冷液氧温度为-207.15℃。 按小火箭所知，这是所有液氧煤油低温推进剂运载火箭中，取值最为激进的了。结合冷氦增压技术和非常激进的结构优化技术，猎鹰-9号运载火箭的运载能力比按传统方式设计的运载火箭提升了15.4%。

过冷液氧技术，让猎鹰-9号运载火箭的液氧密度为1256千克/立方米；而常压传统沸腾状态液氧的密度，为1142千克/立方米。

猎鹰-9号的过冷液氧的密度，比传统液氧的密度高9.98%。

猎鹰-9号的液氧和煤油比其他火箭装得都更加瓷实，用同样大小同样重量的贮箱，能够装载更多推进剂，这就是这款火箭能够在完成一级可重复使用的前提下，还能不断的提高载荷能力的关键所在。

技术

说了很多技术发展史上鲜为人知的一些时期，有战争也有意外，那咱们接下来轻松一些，做些计算吧！ 计算：液氧的损耗率。 对于一枚加注了液氧之后的弹道导弹或者运载火箭来说，了解液氧的损耗率是进行精确补加和发射场保障的重要技术。 对于本文的小火箭好友来说，了解损耗率的详细计算方法和数值本身，也有助于今后大家观看火箭发射的时候，心算液氧的消耗量。

由上图可知，这样的单级的液氧煤油或者液氧酒精弹道导弹在加注后，液氧的消耗量是每秒钟1.42公斤。换算为标准大气压下的氧气，就是994升，将近1立方米。 所以，大家看到运载火箭在发射前的加注场面，对那蒸汽腾腾的场面就有了一个定量的认识了吧！

现代大型运载火箭，对低温推进剂有更好的保温隔热设施，而且能够最终靠补加过冷液氧的方式来控制贮箱内的液氧状态，那现代火箭的液氧消耗量和损耗率就小多了。 小火箭以某型直径为3.35米的二级液氧煤油运载火箭为例。这个计算过程就超级复杂了，个人算了4天，过程不贴出来了，结论如下： 该火箭的第一级，每分钟会损耗10公斤液氧；第二级，每分钟会损耗4公斤液氧。 这些数值，就可以用于发射场推进剂保障团队更好地执行运载火箭低温推进剂的补加作业。 说到我国的液氧煤油运载火箭，小火箭大概还可以多说两句。 咱们早些年跳过了低温推进剂的阶段，直接进入了常温有毒推进剂的发展阶段，后来则从环保和深空探索的角度，开始发展低温推进剂新一代运载火箭。 早期，咱们没有采用的低温推进剂的洲际弹道导弹，也就没有考虑快速响应和液氧的长期贮存问题，因此等到进入21世纪，咱们开始发展低温推进剂运载火箭的时候，也就对过冷技术没那么重视。 目前，我国的新一代低温推进剂运载火箭，依然采用的是传统的-183℃的液氧。不过，在补加阶段，咱们引入了低温过冷液氧的技术，用液氮来把液氧的温度降低到-195.9℃。 这样的补加作业，通常在发射前半小时进行，过冷液氧从贮箱底部进入，同时完成预冷发动机、补加到最优液氧量和抑制发射前液氧贮箱沸腾状态这三个操作。 所以，在咱们的火箭发射的时候，如果他们突然发现液氧贮箱的阀门往外跑的白雾突然减少了，请不必担心。那是过冷液氧进来之后，让躁动不安的沸腾液氧安静了下来。这迸发升空前的安静，正是为了一飞冲天在蓄力中。 按小火箭的计算，过冷液氧在我国新一代运载火箭的液氧贮箱内的占比，达到30%左右。

我制作了一张液氧的温度压力密度速查表，方便工程师好友们速查计算使用。

今后，如果咱们的运载火箭的贮箱内全部采用过冷液氧的化，液氧贮箱的峰值压力会大幅减小，这样咱们就可以用更薄的贮箱来装载这些液氧了。初步计算，由此带来的液氧贮箱的减重程度，将会达到29.7%。

采用过冷液氧和煤油后，在不改变现有运载火箭构型和硬件的前提下，可以多装载8%的推进剂。对于某型运载火箭，也就是在现有结构重量和气动外形不变的情况下，多装了48.6吨的推进剂。

而实际上，因为是全过冷液氧，那么液氧贮箱内的压力要比传统沸腾状态下的压力要小得多，贮箱内设计极限压力可以由传统的2.68个大气压，减少为1.63个大气压，也就是变为原来的60.8%，那么贮箱壁厚就可以大幅变薄，从而减轻运载火箭的结构重量。 那么，某型运载火箭的近地轨道的25吨的运载能力，则能够提升到29.5吨以上。 为咱们自己的工程师自豪吧！在大部分采用常规的-183℃的液氧的情况下，咱们的新一代运载火箭已经取得了这样不错的成绩。如果全面采用过冷技术，一定会给出更加喜人的成就！

全过冷技术，也能够有效避免加注过程中的两相流紊流现象。 火箭越大，低温推进剂越多，采用过冷技术获得的好处也就越大。

苏联的暴风雪/能源重型运载火箭采用真空引射的方式来把液氧和液氢都降低到深度过冷的水平，大幅提升了能源运载火箭的运载能力。

美国的航天飞机的液氢和液氧悄悄采用了过冷技术（真的是几乎没有对外界提起过，知道这些的火箭工程师也是很少的），把运载能力提升了10.13%。

文末，请准许小火箭再提一下承载苏联登月梦想的N-1运载火箭吧！

作为十几年来在运载火箭总体设计专业求学和工作的人，最大的奖赏或许就是有那么多人认定你可以继承和发扬他们当年的梦想了吧！

小火箭在2015年、2016年和2018年，分三次探寻苏联N-1重型运载火箭相关的老工程师，在尽量争取当面交流的机会的时候，机缘巧合，得知了N-1运载火箭的过冷液氧加注系统的设计细节。 为了兑现小火箭对那些白发苍苍的老工程师们的承诺，现将N-1运载火箭独一无二的过冷技术以及我凭借个人记忆对这些残缺不全的图纸的解读向有志于终生投身于人类太空探索事业的工程师们公布：

图中是N-1运载火箭的深度过冷液氧加注系统的设计。主液氧管路是两台大泵。 出液管有两台小泵。分析了一下，应该是贮箱预冷的时候，把小泵先打开，一部分汽化后给罐体加压，另外一部分预冷管路。两台大泵并行运作，同时给一级和二级加注。 引射和排放，考虑很周到，图里面的那个7号就是远距排放口。补加回流，大泵不工作，小泵打循环。 复杂的公式和图表，只有一个目的：让回流流量刚好与蒸发损失量相等，这样火箭可以在发射前很从容。仔细看引射和进罐的过程，没有用过冷器！8个容量为255立方米的大罐，配合大泵，每分钟加注625立方米妥妥的，扬程2.6兆帕没问题。 真空引射，小泵补加带回流180立方米每分钟也是妥妥的。这个和暴风雨号航天飞机用液氢来过冷液氧的理念完全不同。真空罐引射，能够确保液氧-201.15℃的极低温度。 这种设计理念，值得学习！不过，真空引射有一定的概率会带进来一些水分，会有一定的安全风险隐患，另外就是相较与暴风雪号航天飞机的-217.95℃的过冷液氧，N-1重型火箭的确糙了一点儿。

过冷的液氧，苏联工程师前辈比美国SpaceX公司的猎鹰9号火箭早应用了几十年。一边为这些设计细节所惊叹，粗中有细，敢想敢干！一边为N-1重型运载火箭的命运心疼得差点掉眼泪。说起N-1，太多人去关注多发动机并联布局的可靠性而忽略了太多需要研究和分析的技术细节了。

美国未来要载人登月的SLS运载火箭，同样采用了过冷液氧的技术。一级液氧贮箱的容积为741.9立方米，恢复为常压传统状态下的液氧，再添上一点运输管路中的液氧，差不多可以制成一座液氧的埃菲尔铁塔/氧塔（埃菲尔铁塔用钢量为935立方米）

液氧在航空领域也有大量应用，比如战斗机和运输机的呼吸保障系统。上图为美国空军的一名工程技术人员正在将液氧转移到停靠在阿富汗巴格拉姆机场的一架洛克希德·马丁公司的C-130J超级大力神运输机上。

该美国空军基地，每月消耗15000升的液氧。

F-15战斗机的生命保障系统也需要定期加注液氧。

本文，小火箭和大家共同探讨了弹道导弹与运载火箭的过冷推进剂技术，从法拉第的液化气体尝试到二战德国的V-2弹道导弹，聊到了德国工程师对液氧过冷技术的率先尝试。到了苏联工程师那里，过冷液氧不再仅仅是为了减少运输和贮存过程中的损耗，更是赋予了洲际弹道导弹快速响应和可长期贮存随时发射的新属性。

美国则是在阿波罗登月时期把过冷液氧技术应用在了土星5号运载火箭上。再到现在，过冷液氧和煤油成为了SpaceX公司提升猎鹰9号运载火箭的运力同时赋予其目前尚无竞争者的入轨运载火箭可重复使用的能力。

期间，小火箭给出了计算弹道导弹和运载火箭的液氧损耗率的具体计算方法并针对典型运载火箭给出了算例，同时期待我国的新一代低温推进剂运载火箭早日进入全过冷液氧时代。 全文结束，感谢细心阅读，希望可以喜欢！

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