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为了减重,长征五号火箭铝壳仅厚3毫米,却因“图好看”刷了几百公斤白漆?为什么不学美国星舰
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2022.07.23 布基纳法索

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长征五号B遥三火箭整装待发,它将把重约22吨的“问天”实验舱送上太空,与“天和”核心舱对接,实现中国空间站在轨建造的关键一步。

长征五号B遥三火箭整装待发

长征五号B是我国目前最重型的液体燃料运载火箭,它的箭体直径达5米,四个助推器直径也有3.35米,起飞质量达849吨,起飞推力约1078吨,近地轨道运载能力不小于22吨。

要将重达二十余吨的空间站舱段送上太空,我们一方面需要增大运载火箭的推力,同时减轻火箭自身重量(干重)。为此,长征五号火箭采用了铝合金薄壳结构,它的外壳有多薄呢?大约只有3毫米左右,而在火箭上端整流罩的部分更是仅有0.3毫米厚!

长五火箭外壳很薄

为了给火箭减重,同时又要保持箭体强度,使它能承受上方几十吨的荷载以及数百吨燃料,长征五号设计团队每一公斤每一克地“抠”,可以说做到了极致。

但是你可能也听说了,为使火箭“看起来更漂亮”,长征五号表面刷了“几百公斤”白色油漆!为什么中国火箭不可以像美国“星舰”那样使用金属的本色,而要凭空多加几百公斤“死重”呢?难道火箭刷成白色真的只是为了好看?

长征五号与美国星舰

世界上大多数运载火箭都被刷成白色,这当然不是为了好看,而是科学的选择。

就拿长征五号火箭来说吧,它表面并非普通油漆,而是由中国航天科技集团一院703所专门研制的白色新型防护涂层。

我们知道长征五号运载火箭是在低纬度的海南文昌发射场发射,这里的年平均温度高、太阳辐射强烈、空气湿度大、有盐雾腐蚀,还可能有雷电。为了给火箭提供更好的保护,我们需要一种防静电、高反射、高耐候的防护涂层。而在所有颜色中,白色可以提供最好的反射率,黑色的反射率最低。

阳光的吸收与反射

太阳光是什么颜色的?对于人类的眼睛来说,我们看到的太阳光是白色的。但如果让太阳光穿过三棱镜,你就会发现阳光其实是由红橙黄绿青蓝紫七种颜色构成的。

当阳光照射到红色表面,其中红色的光被反射出来,于是我们看到了红色;当阳光照射在树叶上,绿色的光反射进入眼睛,于是我们看到树叶是绿色的。其它颜色的光呢?它们被物体吸收,光子的能量传递给原子,使其振动产生热能。

炎炎夏日,我们穿白色的衣服会感觉凉快,而穿深色或黑色的衣服会觉得热,正是因为白色反射了最多的阳光,而黑色能吸收最多的光子,将其转化为热。

长征五号有“冰箭”之称

长征五号火箭被称为“冰箭”,因为它采用的是氢氧火箭发动机,在一级火箭和助推器中存储了几百吨的液态氢和液态氧。液态氧的温度低至-183℃,液态氢更是低至-253℃,外部阳光高温炙烤会造成燃料箱的压力增大,随时有爆炸的危险。

我们需要在不额外增加隔热材料的前提下,最大限度地反射阳光,保证火箭内部不会过热。长征五号外面的白色涂层可以反射超过90%的太阳辐射热能,从而确保火箭安全。

有朋友说,美国SpaceX的“星舰”就没有刷白油漆,它亮闪闪的不锈钢表面不也是可以反射阳光吗?事实上即便是打磨得光亮如镜,不锈钢的热反射率最多也不到70%,与白色涂料比差远了。相比之下,纯铝的反射率最高能达到94%,因此许多镜子背面镀的是铝(银的反射率最高但更贵)。

为什么不把火箭打磨成银色

既然铝的热反射率高,是不是只需把长征5号的铝壳打磨光亮,就可以既不增加重量又达到比白色涂料更好的隔热效果呢?并且银光闪闪的火箭看起来也更酷呀!

铝是一种活泼金属,它能迅速与空气中的氧气发生化学反应形成一层氧化铝薄膜,而这层氧化铝膜使其热反射效果大打折扣。在海南岛高湿高盐雾的环境下,铝会被更快地腐蚀,火箭耐候性变差,“打磨火箭”成本高昂且得不偿失。

长征五号B火箭

综合以上分析,我们可以得出结论:

长征五号以及大多数运载火箭之所以选择白色涂料,并不只是为了看起来美观,更重要的是白色能反射更多的太阳光,从而令“冰箭”不会过热。特殊的白色涂料还对火箭外壳起到保护作用,提高其耐候性能。即使为此“增加了几百公斤重量”,总体而言也是值得的。

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