彈道導彈與運載火箭的過冷推進劑技術

小火箭出品 必屬精品

本文作者：邢強博士

本文共13186字，65圖。預計閱讀時間：1小時30分鐘。

7年前，在2013年，全世界範圍內關於可重複使用運載火箭，有一個廣泛而又深刻的大討論。主題就是：可重複使用運載火箭到底是否可行？熟悉小火箭的好友們大概都還記得，小火箭給出了可重複使用運載火箭的彈道計算和總體設計概念，後續甚至針對具體型號進行了成本分析。

可是，當年極力反對發展可重複使用運載火箭的人，也並非對火箭毫無了解的人。他們當年為什麽給出了“可重複使用運載火箭中，為了給複用準備的多餘燃料，會吃掉幾乎所有的火箭運力，而使得可重複使用運載火箭從實用角度來說是不可行的”這樣的在今天看來（可重複使用的獵鷹9號運載火箭，不僅沒有被吃掉運力，反而具備一箭60星的發射能力）有些令人吃驚的結論呢？

如今，當年那些極力反對火箭重複使用技術的人，大多和小火箭達成了和解。

這個世界上，善惡是個複雜的事情，但願每個人都能夠被溫柔以待吧！

很大一部分人如今都在摒棄傳統的基於自身所處利益集團的角度出發來思考問題的方式，轉而開始基於技術的客觀辯證規律本身，從全人類的福祉和國家的利益角度出發來進行判斷了。

本文僅探討技術本身，不再提當年的對錯，同時接受那些人對小火箭的道歉。更重要的是，感恩這些年來大家對小火箭的鼎力支持。如果沒有大家的支持，恐怕小火箭一天都無法再支撐下去。

實際上，當時那些人給出了不符合工程實際的計算結果，本質原因在於忽視了甚至是不了解液體推進劑的過冷技術。

本文，小火箭將從歷史淵源、技術萌芽、蘇聯和美國的應用實踐、我國（小火箭）對低溫液體推進劑的加注和過冷技術的探究這四個角度來進行分析。

緣起

愛因斯坦博士的書房裡，有3張人物畫像。這3位是愛因斯坦崇敬的科學家：法拉第、牛頓、麥克斯韋。本文的一切因緣，皆因法拉第而起。

眾所周知，法拉第是人類的電化學的創始人，他對帶電導體的研究為電磁場的理論奠定了堅實的基礎。另外，陽極陰極、電離電解等學術概念也和他有著直接的關係。法拉第發明的本生燈為全世界的化學實驗室帶來了便捷可靠的熱源。

在化學領域，法拉第深刻研究了液化技術，從而為現代工業提供了一項有力的支撐技術。到1845年，法拉第已經對當時人類能夠大量獲取的大多數的氣體實現了液化。不過，有6種氣體，他當時無論用怎樣的方法，做多大的努力，都沒能成功液化。

這就是困擾法拉第 一生的六種“永久氣體”：氫氣、氧氣、氮氣、一氧化碳、甲烷、一氧化氮。

於是，帶有濃鬱科學樂觀主義的預言誕生了：人類一旦實現了對這六種永久氣體的液化，哪怕是飛向天空和奔向月球，也是可以實現的！

後來，人類工程師認準了一個道理：只要溫度足夠低，氣體該液化也差不多都能液化。就這樣，隨著低溫技術的進步，在1877年，法國人實現了對空氣的液化。緊接著，在1883年，波蘭人終究製成了液態氧。

預言，也在100年之內接連兌現了：1903年，第一架重於空氣的載人飛行器進入天空，以萊特兄弟和桑托斯·杜蒙為代表的航空先驅給人類插上了翅膀；1969年，人類在月球上踩下了第一個腳印，人類的一大步，完成跨越。

而人類登月所用的土星5號運載火箭，的確和液氧有著巨大的關聯：火箭總重3000噸，其中2000多噸是液氧，佔火箭總重的將近70%！

不過，正如馮·布勞恩博士所言：“我年輕時候發展的技術，的確令人振奮，並且直接促成了人類的登月計劃和太空梭項目，但是我那時候研究的飛行器，飛行過程沒問題，而彈頭卻落錯了地點。”

二戰

小火箭第一定律：到目前為止，在人類工程技術的歷史上，幾乎沒有先進技術能被軍隊忽視，無論是為了提高人類生活質量還是僅僅為了滿足人類的好奇心，這些人中的大多數最終都被用來提高軍隊的戰鬥力。——邢強

成功被液化後的氧氣，體積縮小到原來的861分之一，而質量保持不變。作為地球上第二多的氣體和幾乎是最好用的氧化劑（性能稍遜於氟氣，但氟的劇毒性和昂貴製造成本使其難以大量應用），氧氣終於開始在人類在20世紀的大戰中誕生的技術結晶：V-2彈道導彈上發揮重要的作用了。

V-2彈道導彈是人類第一款彈道導彈，是目前人類所有運載火箭和彈道導彈的鼻祖。

以3810.1公斤的75%酒精為燃料，以4910.3公斤的液氧為氧化劑，這種長14.0米，直徑1.651米的飛行器，在穆勒擺式陀螺加速度慣導單元的控制下，以飛行的最大時速能夠達到5761公里/小時，可以把975公斤重的阿馬托彈頭（內含910.3公斤TNT和硝酸銨的混合物）投擲到320公里之外。

到1941年年底，V-2彈道導彈相關的四項關鍵技術全部完成技術突破：大型低溫燃料液氧酒精火箭發動機、慣性導航技術、耐超高溫燃氣舵先進材料與零組件加工技術、超聲速空氣動力學理論。

1943年，31歲的布勞恩博士被直接任命為V-2彈道導彈項目的總負責人，掌管一些相關人力和物力。V-2導彈項目的進展神速。

意識到問題嚴重性的盟軍開始有針對性地打擊德國的科研生產設施。1943年8月18日夜晚，代號為“九頭蛇”的外科手術式定點轟炸項目啟動了。

596架英國皇家空軍的飛機從第5、第6和第8航空兵團基地分三波次起飛，直撲德國佩內明德彈道導彈研究中心。

這596架飛機中，有324架蘭開斯特轟炸機、218架哈利法克斯轟炸機、54架斯特林轟炸機，其他則是兼具精確轟炸與護航任務的蚊式。

上圖為夜間轟炸型蘭開斯特轟炸機。小火箭是通過該機發動機排氣管上的金屬罩來判斷的。大功率螺旋槳發動機的排氣管，經常會噴出火焰或者明亮的高溫煙霧，為了避免夜間轟炸機被敵方過早發現，就用這樣的金屬罩把排氣管遮蓋住。這算是早期萌芽的隱身思想了。

英國皇家空軍特意選擇了滿月時分實施轟炸，就是為了能夠給目視精確轟炸提供有利條件。

上圖為英國皇家空軍參與九頭蛇轟炸行動的轟炸機指揮官塞爾比上尉在二戰後公開的一張轟炸目標指示圖。

小火箭根據好友提供的佩內明德研究中心的詳細情況，弄明白了上圖的字母表示的含義：A：導彈研究所；B：V-2導彈車間 ；C：發電廠；D：火箭發動機試車台；E：結構測試廠房；F：工程師居住區；G：機場。

第一波次的轟炸，非常成功，佩內明德研究中心75%的建築被炸毀，V-2彈道導彈的液氧酒精火箭發動機的首席工程師沃爾特·泰爾博士和火箭工廠建設工程首席工程師埃裡希博士當晚在火箭發動機生產車間加班，不幸被炸彈直接命中；

第二波次的轟炸，把佩內明德研究中心的關鍵零組件倉庫摧毀了。不過有一些轟炸機在沿海大風的吹拂下，偏離的航線，沒能炸到佩內明德研究中心的總設計師和關鍵工程師住所；

第三波次，準備直取布勞恩博士和其他100位科學家的性命。但是，該波次轟炸機遭遇了非常頑強的抵抗。德國夜間戰鬥機的飛行員們，為了保護布勞恩博士和其他科學家，拚盡全力，彈藥打光後，幾乎全部選擇了撞向來襲的轟炸機。這使得英國皇家空軍在14分鐘27秒內，連續被擊落28架轟炸機，不得不提前終止行動，返回基地。

英國皇家空軍的“九頭蛇行動”給人類帶來了2個主要影響：

第一，全世界科學家強烈譴責英國試圖謀殺科學家的行徑。畢竟戰爭是政治的延續，各國的科學家，雖然為各自的祖國服務，但是科學家和工程師，是全人類應當珍視的寶貴財富。

第二，液體火箭發動機首席工程師的身亡，讓V-2導彈手頭的液氧酒精火箭發動機成為了在整個二戰期間幾乎唯一拿得出手的液體火箭發動機，有關替代低溫推進劑液氧的常溫可貯存推進劑的研究計劃戛然而止，人類運載火箭和彈道導彈技術的發展，被那顆炸彈拖慢了五年以上。 第一個影響，盟軍很快就糾正了。這就是“回形針計劃”誕生的契機。該計劃是要在二戰結束之前，鎖定德國的科學家和工程師，並且盡全力保障他們的安全，然後在戰後將他們引進到美國。

（英國大概暫時是難以得到全世界科學家的原諒了。手上沾有火箭科學家鮮血的英國，因為同時也錯過了曼哈頓工程和大量的科學項目，逐漸在人類科學領域向二流滑落。）

二戰期間，1603名科學家和工程師被鎖定，其中關鍵的就是104位火箭工程師，其中布勞恩博士、多恩伯格、穆勒、迪亞特等人直接促成了美國紅石彈道導彈、多款高超聲速飛行器、土星5號運載火箭和太空梭的誕生。

而人類第一位液體火箭發動機的工程天才泰爾博士的殞命所帶來的損失，是巨大的。

泰爾博士致力於新型火箭發動機的研製，對低溫燃料的可持續貯存甚至未來在太空和月球的人類永久駐留基地所需的火箭發動機都有非常前瞻性的研究。

泰爾博士在1943年的離去，使得人類的火箭發動機技術暫時被鎖定在了依賴液氧的層面，後續發展的選項，都暫時變灰了。

液氧，作為氧化劑本身，當然是合格的，甚至說是相當優秀的。

V-2彈道導彈的帶有1224個噴注孔的火箭發動機，75%的酒精在純氧環境中劇烈燃燒，賦予導彈燃燒室2695℃的高溫，使得V-2彈道導彈成為了人類夢寐以求的掙脫地球引力的動力來源。

實際上，二戰結束後很長一段時間裡，美國、蘇聯和法國都是借助俘獲而來的V-2彈道導彈進行太空探索研究。

V-2導彈在進行科學研究的時候，彈道最高點甚至達到了206.1公里，還搭載了人類第一台太空相機，拍攝了地球的第一張自拍照。

但是，從發射準備和發射保障的角度來看，液氧實在是難以駕馭的。 1883年，波蘭科學家代表全人類，成功實現了氧氣的液化。但是幾乎同時，這些科學家就斷定，液氧的工業化應用歷程將會是極其艱難的。 液氧的沸點為-182.96℃，在一個標準大氣壓（101325帕斯卡）和20℃的室溫條件下，液氧變成的氧氣，其體積是液氧本身的861倍！ 這意味著，液氧是提供人類工業氧化劑和醫學呼吸氣源的理想工質。但是也同時意味著，要想駕馭液氧，要麽維持一個足夠低的溫度讓液氧不沸騰，要麽使用足夠強大的容器維持液氧變成氧氣後巨大的壓力變化。

1943年的德國，這兩個條件，都不具備。 他們怎麽做的？ 答：既不維持足夠的低溫，又不用強大的容器硬撐，而是在導彈的液氧貯箱上按照一個泄壓閥，當導彈貯箱內沸騰的液氧產生出的大量氧氣讓貯箱壓力達到一個閾值的時候，閥門開啟，把氧氣泄放出來，減輕貯箱壓力。 實際上，時至今日，全世界所有的運載火箭和洲際彈道導彈，凡是使用液氧作為氧化劑的，依然是這樣做的。

到1944年9月15日，V-2彈道導彈量產數量達到1900枚。考慮到高峰時期每天發射100枚的需求量和彈道導彈本身對結構質量的極致追求，液氧就只能被草草地加注到導彈貯箱內。而薄薄的鋁鎂合金液氧貯箱，並沒有採用特別的隔熱設計。 這使得，滾滾沸騰的液氧，在V-2導彈內因蒸發而損失的量，佔火箭本身液氧需求量的40%，而考慮到運輸過程中的液氧損耗，每枚V-2火箭本身燃燒所需4910公斤液氧，而實際每一枚火箭耗費的液氧超過10.5噸。 V-2彈道導彈，共生產了6049枚，在德國無條件投降之前，發射了3226枚。算上V-1巡航導彈項目，V-1和V-2導彈的研發與生產總支出，換算成今天（2020年3月）的美元，為472億美元，比研製原子彈的曼哈頓工程的總支出還要高出51.3%。 這其中，液氧酒精燃料所消耗的人力物力佔了很大一部分。 V-2彈道導彈所需的酒精，佔了德國酒精產能的三分之一。在食物極其短缺的時候，德國因為工業設施被轟炸，不得已採用了傳統的釀酒工藝來生產酒精。為了釀造供應1枚V-2彈道導彈所需的酒精，需要30噸土豆。

液氧是通過在發射場周圍大量建造液氧加工廠獲取的。二戰德國的液氧加工廠，是標準化廠房，第一個標準廠房是1942年7月27日投入運營的。這樣的廠房，長73.10米，寬42.60米，高20.80米。工廠的輸入，就兩種：空氣和電力。 工廠採用複雜的漢普森-林德法制氧。漢普森-林德循環，通過一系列壓縮和膨脹，讓空氣在膨脹過程中逐漸降溫，直到達到讓空氣中的氧氣和氮氣液化的低溫。 林德循環和後來大名鼎鼎的西門子循環法的唯一區別，就是西門子循環是通過對外做功來降溫的，而林德循環則是不需要移動部件，通過焦耳效應來降溫。

1913年，林德循環造出了人類第一杯液氦，使得德國物理學家亨克爾·昂內斯獲得了諾貝爾獎。而不到30年之後，這項技術就得到了大量的工程應用，為V-2彈道導彈生產液氧了。

標準化的工廠，三班倒，24小時工作，每天可以生產15噸液氧。在罐裝到槽車內後，快遞運輸到發射場。 林德法是人類少有的能夠大量生產液氧的方法，優點很多，但是缺點就是非常耗能。每一座標準化液氧工廠的功耗，為30兆瓦！詳見小火箭的功率尺度報告。

30兆瓦是什麽概念呢？美國現役的洛杉磯級核潛艇的峰值功率，為26兆瓦。二戰期間，一座標準化液氧工廠的功率，相當於1.2艘洛杉磯級核潛艇。換算成馬力，就是40231馬力。這樣的功率，足夠10000個現代家庭日常所需。

耗費珍貴的電能生產出來的液氧，當然要得到好好的使用。但是，在運輸和加注過程中，還是有大量液氧在蒸發的過程中被損耗了。怎樣才能少損耗一些液氧呢？工程師提出了過冷的概念。 所謂過冷，就是讓原本溫度已經非常低的液體，進一步降溫，直到溫度低於其沸點，從而改變其沸騰的狀態。 林德法生產液氧，稍微再努力一下，就可以產生副產品：液氮。 在常壓環境中，液氮的沸點為-196℃，低於液氧的-183℃。把液氧儲罐浸泡在沸騰中的液氮池中，就可以有效降低液氧的溫度，直至其低於自身沸點。 這樣的液氧，被德國工程師稱為“冷靜液氧”。 再後來，帶有低溫循環泵的V-2彈道導彈液氧液氮循環冷卻系統誕生了。 在該系統的助力下，過冷液氧不再時刻處於沸騰狀態，蒸發損耗也就大大減少。到後來，發射一枚V-2導彈所需的液氧總量，從10.5噸減少到了5.5噸。 這確保了大量液氧工廠被炸毀的情況下，德國依然有能力大量發射V-2導彈。 泰爾博士致力於尋求液氧的替代物，但出師未捷，因戰爭原因先去和法拉第會合了。 不過，泰爾博士的繼任者，發明了在彈道導彈液氧運輸和加注的過程中採用過冷技術來減少液氧損耗的方法。該方法實際上讓液氧成了一種可較長時間（10天）貯存的液體，也就推動了德國工程師用U艇潛水艇搭載V-1巡航導彈或者V-2彈道導彈，然後潛航到美國海岸附近來打擊美國本土的設想。

不過，到二戰結束的時候，這個設想也沒能完成完全的工程化。相關技術被美國人拿到，並在上世紀50年代實現（“淚滴行動”）。

★蘇聯★

二戰結束後，蘇聯大量專列開往德國，然後把德國大量的工廠設備運到了蘇聯。從此，蘇聯的彈道導彈和運載火箭技術開始大量吸納德國的彈道導彈技術。

1953年，蘇聯工程師開啟了人類第一款洲際彈道導彈R-7的研發。 R-7，起飛質量超過280噸，設計指標是能夠將3噸重的彈頭投擲到8000公里之外。

1957年8月21日，一枚R-7彈道導彈在拜科努爾發射場起飛，隨後命中了6000公里外的太平洋靶場指定區域。從而標誌著人類的彈道導彈技術進入了遠程和洲際化的時代。

1957年10月4日，一枚由R-7彈道導彈改裝而成的運載火箭（人類第一枚真正意義上的運載火箭），把人類第一顆人造地球衛星斯普特尼克1號送入預定軌道，航天時代來臨！ 1960年，R-7彈道導彈改裝而成的載人火箭把尤裡·加加林送入太空，人類從此成為太空物種。 1961年2月12日，R-7洲際彈道導彈改裝而來的運載火箭，發射了人類第一顆金星探測器，人類開始認認真真去了解毗鄰的行星。 大量月球探測器、火星探測器、金星探測器的發射，均仰賴於R-7系列彈道導彈改進而來的火箭。而後來，該火箭逐漸定型為一個兼具貨運和載人能力的運載火箭家族，名為“聯盟”。

包括聯盟系列運載火箭在內的R-7彈道導彈/運載火箭家族，在小火箭發布本報告的時候，已經發射了超過1900枚，成為當之無愧的人類發射數量最多的運載火箭家族（其他運載火箭，發射總數量都未能超過200）。

而R-7彈道導彈，在一開始，就注重過冷液氧技術的應用。 所有液氧，在發射場的儲罐裡，先被循環冷卻到-196.15℃，再被加注到火箭中。 這樣，在大幅減少液氧蒸發損耗的同時，還帶來了另外一個額外的大好處：相同容積的液氧貯箱，加注過冷液氧，能夠獲得更多的質量。 常壓沸騰狀態下的液氧，溫度為-183℃，密度為1142千克/立方米，略重於水。而聯盟運載火箭的過冷液氧，密度為1202千克/立方米，密度比普通液氧增加了5.2%。

這就意味著，在火箭貯箱容積不變的情況下，維持原有結構重量和管路閥門系統的情況下，過冷液氧比普通液氧多出了5.2%的質量。

按液氧佔整個火箭的比例來算，通過彈道計算，結合其他因素，可知，採用過冷液氧，聯盟運載火箭比普通液氧方案，多帶了10.74噸液氧！ 綜合考慮，相當於增加了516公斤的載荷能力。 這就是聯盟系列運載火箭幾十年來不常向外人訴說的一項技術法門。

當然，蘇聯對過冷液氧技術使用得最為徹底的，要數R-9洲際彈道導彈了。

R-9洲際彈道導彈，是人類過冷液氧技術的一個巔峰。 在她之前，過冷液氧無非是減少液氧損耗的一種手段，後來的運力增加，則更多地是一種機緣巧合。

而R-9洲際彈道導彈，則使用了過冷液氧技術讓一種採用低溫推進劑的戰略武器的發射準備時間從10個小時一步到位減少為19分鐘30秒；她把液氧在導彈貯箱內的可靠存儲時間，從二戰期間德國的1小時到二戰末期的10天，大幅提升為整整1年！

安東尼·克裡沃諾索夫，蘇聯SS-7，SS-8（也就是R-9彈道導彈），SS-9，SS-15，SS-18，SS-19彈道導彈製導系統總設計師；能源火箭製導控制系統總顧問；Tsiklon，Kvant，Kvant-2，Kristall，Priroda，Spektr和Kosmos系列的152顆衛星製導控制系統總設計師或總顧問，當年給出了決心：只要R-9彈道導彈的動力系統跟得上，他作為製導控制系統總設計師，有信心發展出一種在未來幾乎無法被攔截到的導彈彈道。 1961年，R-9洲際彈道導彈首飛，圓滿成功！

在過冷循環狀態下，貯存在導彈貯箱內的液氧，時刻處於過冷狀態，在貯存了8個月後，一鍵點火成功！

導彈飛行了11000公里，把1.6噸重的模擬彈頭打到了太平洋，而誤差僅為1.6公里（這是不依賴於任何外界信息的全慣導打擊，而且準備時間只有19分鐘，在上世紀60年代，屬於科幻級別的精度了。） R-9洲際彈道導彈，採用-202℃的超級過冷液氧。導彈的液氧貯箱和外部的過冷循環泵相連，實際上成為了地下液氧生產工廠的循環管路的一部分。 這個在地下擁有八層結構的R-9洲際彈道導彈發射井，能夠在第一枚導彈發射後兩個半小時之內，完成第二枚R-9洲際彈道導彈的發射。 R-9洲際彈道導彈的理論射程，超過1.6萬公里。這種起飛質量達到80.41噸，直徑為2.68米，長度超過24.19米的龐然大物，是人類最後一款採用液氧煤油為推進劑的常備洲際彈道核導彈。 二級構型的R-9彈道導彈，在1963年9月，還有著一個三級拓展版本，實現超過4萬公里的射程，實際上就是軌道轟炸了。這個概念，用於應對美國日後將要部署的彈道導彈防禦系統。 雖然當時很多人認為，攔截洲際彈道導彈是天方夜譚，但是蘇聯有前瞻視野的工程師們，是相信的，而且他們認真進行了應對研究。 升級版本的R-9洲際彈道導彈，因為過冷液氧賦予的快速響應能力和強大的投擲能力，可以繞飛南極上空，經佛羅裡達州來打擊華盛頓特區。 而美國人也是非常相信蘇聯工程師乾得出來，所以他們在佛羅裡達州部署了朝向南方的超級雷達來進行預警。不過，這一切，被一場突如其來的爆炸打亂了。 10月24日，是個有著非常重要象徵意義的節日。因為1024是2的10次方，是一個非常非常整的整數，所以10月24日被定為全世界數學家、工程師還有廣大程序員的節日。 公元1946年10月24日，從美國新墨西哥州發射的一枚產自二戰德國的V-2彈道導彈，飛到了外太空，成功拍攝和回傳了人類第一張地球自拍照片。1024，也就和攝影、太空還有諸多結合了技術和藝術的美感一起，成為值得讓全人類共同讚賞的日子。

然而，1963年10月24日，在蘇聯拜科努爾航天中心，則發生了一件大事。

這一天，R-9洲際彈道導彈的發射井裡的3台氧氣濃度傳感器，均發出了警報，認定氧氣濃度過高。（地球大氣中的氧氣濃度為20%，R-9洲際彈道導彈過冷液氧發射井的準許氧氣濃度最大值為21%，而當日的發射井氧氣濃度達到了32.1%）。 每一個R-9洲際彈道導彈的發射井裡，都有11名發射管理和工程人員。當日，他們把情況通過加密無線電鏈路上報之後，火箭設計部門立即要求打開發射井蓋，關閉液氧工廠，啟動應急泄放程序。 但是，在開啟發射井蓋的過程中，發射指揮人員又發現R-9洲際彈道導彈的RD-111火箭發動機的支撐座3號和5號傳感器閃燈報警。 指揮人員認為，有必要先去檢查一下發射井底部發生了什麽情況，是不是有外人侵入，於是就乘坐發射井內的電梯下降到了第8層。 而就在指揮人員的手還握在電梯扶手，而腳碰觸到發射井底部的瞬間。一道閃光突然從指揮人員的腳尖閃了一下，隨後電梯的配電盤發出了數聲吱吱的電流聲。 隨後，巨大的爆炸出現了！ 火球摧毀了整枚R-9洲際彈道導彈（幸好230萬噸當量TNT的核彈頭的保險系統穩妥可靠，彈頭沒炸），把29米深的導彈發射井變成了一個巨大的錐形彈坑。發射井內的11人中，7人當場斃命。 發射井副指揮伊萬比較機靈，在發現第一道閃光的時候，就把自己趕緊裹在了防火毯中躺在了電梯轎廂的角落，雖全身多處受傷但逃過一劫。 當他心有余悸地向前來救援的人講述整個過程的時候，拜科努爾基地的人想起了這個巧合： 整整三年前，同樣也是在10月24日，當時的伊萬諾維奇·內德林炮兵元帥突然乘坐專機來到拜科努爾發射場，責令基地要在1960年10月24日完成R-16新型洲際彈道導彈的發射，以便結合整個一系列活動來慶祝11月7日的十月革命。 盲目的指揮和某些個別要求高於技術本身的決策，讓R-16洲際彈道導彈在1960年10月24日的拜科努爾航天中心當場爆炸，100多人陪著內德林元帥瞬間被氣化。

而1961年10月24日的R-9洲際彈道導彈的發射井事故，給後人留下了三個影響至今的遺產：

第一，液氧煤油推進劑方案，不再成為可貯存的洲際彈道導彈推進劑的選項。R-9成為人類最後一款採用低溫推進劑的洲際彈道導彈； 第二，美國在德克薩斯州（得克薩斯州）和佛羅裡達州的超級雷達，也就再也等不來R-9過冷液氧洲際彈道導彈了。不過，該雷達如今依然在服役中。她的任務不再是預警洲際彈道導彈的來襲，而是監測太空中尺寸超過10厘米的空間碎片了。這些雷達至今依然是人類最趁手的空間監測基礎設施； 當年是為了應對蘇聯的超級過冷液氧洲際彈道導彈而部署的雷達，如果按今天的經費審核標準，那斷然是建不起來的了。 第三，鑒於1960年和1963年的兩次巨大爆炸都發生在10月24日，蘇聯決定，拜科努爾發射場在10月24日當天，全員放假，不得進行任何與彈道導彈和運載火箭相關的發射、測控甚至是研究活動。該決定，今天依然被嚴格遵守著。

☆美國☆

美國對過冷液氧技術的應用，相對較晚。出於對蘇聯洲際彈道導彈技術的恐懼，美國一開始就下定決心發展二次核反擊的能力。

這樣的化，對洲際彈道導彈的快速響應能力就提出了非常高的要求。

所以，能夠在常溫長期貯存的推進劑，就成了關鍵技術。1962年3月12日首飛的大力神-2型洲際彈道導彈，採用混肼50和四氧化二氮常溫推進劑。（當然，這樣的推進劑實際上也有爆炸的時候，詳見小火箭的紀實報告《一柄扳手引發的美國核導彈大爆炸》）。

戴維斯空軍基地，等待退役拆解的大力神-2型洲際彈道導彈，有38枚半。攝於2006年。

後來，蘇聯、法國也採用了偏二甲肼/四氧化二氮常溫推進劑組合。人類最後一款過冷液氧/煤油低溫推進劑洲際彈道導彈在1966年停產，在1971年開始啟動退役流程。

我國的首枚運載火箭在1970年4月24日把中國第一顆人造地球衛星送入預定軌道，因此就沒有經過那個糾結的5060年代，一開始就選定了偏二甲肼/四氧化二氮的常溫推進劑方案。

美國對過冷液氧技術的大量應用，可以追溯到上世紀60年代的阿波羅時代。

土星5號運載火箭，起飛質量3000噸，為三級構型。第一級推進劑為液氧/煤油組合，第二級和第三級為液氧/液氫組合。 也就是說，土星5號運載火箭的三個級段都採用液氧為氧化劑。1枚土星5號的液氧需求量，超過2000噸。 這些液氧，有25%是過冷的，在最後的補加階段加入。有關低溫推進劑加注的流程，小火箭將會專門寫一個專題。 土星5號運載火箭值得一提的是，她的液氫也是過冷的！ 三相點深度過冷液氫使得土星5號運載火箭的運載能力提升了32%，而有關固態氫的研究，將會進一步把火箭的運載能力提升40%以上。

可惜，阿波羅計劃在上世紀70年代戛然而止，空留一個傳奇和大量前沿技術。

不過，後來的半人馬座上面級還是嘗試用了一些過冷液氫和過冷液氧的技術。

美國大量使用過冷技術的，就是SpaceX公司的獵鷹-9號運載火箭了。

在發射前90分鐘，常溫煤油被冷卻到-7.15℃，這個溫度下，煤油的密度比常溫煤油提升10%以上，而粘度變化不大。再冷下去，則會付出粘度增加而影響管路閥門效能的代價。

而且，獵鷹-9號運載火箭所用的航天級精煉煤油的在-37.15℃就會被凍住了，所以考慮到安全和保留一定的裕度，取-7.15℃的過冷煤油是合適的。

液氧在常壓情況下，沸點是-183℃，凝固點為-218.79℃。獵鷹-9號運載火箭取過冷液氧溫度為-207.15℃。 按小火箭所知，這是所有液氧煤油低溫推進劑運載火箭中，取值最為激進的了。結合冷氦增壓技術和非常激進的結構優化技術，獵鷹-9號運載火箭的運載能力比按傳統方式設計的運載火箭提升了15.4%。

過冷液氧技術，讓獵鷹-9號運載火箭的液氧密度為1256千克/立方米；而常壓傳統沸騰狀態液氧的密度，為1142千克/立方米。

獵鷹-9號的過冷液氧的密度，比傳統液氧的密度高9.98%。

獵鷹-9號的液氧和煤油比其他火箭裝得都更加瓷實，用同樣大小同樣重量的貯箱，能夠裝載更多推進劑，這就是這款火箭能夠在完成一級可重複使用的前提下，還能不斷提升載荷能力的關鍵所在。

技術

說了很多技術發展史上鮮為人知的一些時期，有戰爭也有意外，那咱們接下來輕鬆一些，做些計算吧！ 計算：液氧的損耗率。 對於一枚加注了液氧之後的彈道導彈或者運載火箭來說，了解液氧的損耗率是進行精確補加和發射場保障的重要技術。 對於本文的小火箭好友來說，了解損耗率的詳細計算方法和數值本身，也有助於今後大家觀看火箭發射的時候，心算液氧的消耗量。

由上圖可知，這樣的單級的液氧煤油或者液氧酒精彈道導彈在加注後，液氧的消耗量是每秒鐘1.42公斤。換算為標準大氣壓下的氧氣，就是994升，將近1立方米。 所以，大家看到運載火箭在發射前的加注場面，對那蒸汽騰騰的場面就有了一個定量的認識了吧！

現代大型運載火箭，對低溫推進劑有更好的保溫隔熱設施，而且可以通過補加過冷液氧的方式來控制貯箱內的液氧狀態，那現代火箭的液氧消耗量和損耗率就小多了。 小火箭以某型直徑為3.35米的二級液氧煤油運載火箭為例。這個計算過程就超級複雜了，個人算了4天，過程不貼出來了，結論如下： 該火箭的第一級，每分鐘會損耗10公斤液氧；第二級，每分鐘會損耗4公斤液氧。 這些數值，就可以用於發射場推進劑保障團隊更好地執行運載火箭低溫推進劑的補加作業。 說到我國的液氧煤油運載火箭，小火箭大概還可以多說兩句。 咱們早些年跳過了低溫推進劑的階段，直接進入了常溫有毒推進劑的發展階段，後來則從環保和深空探索的角度，開始發展低溫推進劑新一代運載火箭。 早期，咱們沒有採用的低溫推進劑的洲際彈道導彈，也就沒有考慮快速響應和液氧的長期貯存問題，因此等到進入21世紀，咱們開始發展低溫推進劑運載火箭的時候，也就對過冷技術沒有那麽重視。 目前，我國的新一代低溫推進劑運載火箭，依然採用的是傳統的-183℃的液氧。不過，在補加階段，咱們引入了低溫過冷液氧的技術，用液氮來把液氧的溫度降低到-195.9℃。 這樣的補加作業，通常在發射前半小時進行，過冷液氧從貯箱底部進入，同時完成預冷發動機、補加到最優液氧量和抑製發射前液氧貯箱沸騰狀態這三個操作。 所以，在咱們的火箭發射的時候，如果他們突然發現液氧貯箱的閥門往外跑的白霧突然減少了，請不必擔心。那是過冷液氧進來之後，讓躁動不安的沸騰液氧安靜了下來。這機甲狂潮升空前的安靜，正是為了一飛衝天在蓄力中。 按小火箭的計算，過冷液氧在我國新一代運載火箭的液氧貯箱內的佔比，達到30%左右。

我製作了一張液氧的溫度壓力密度速查表，方便工程師好友們速查計算使用。

今後，如果咱們的運載火箭的貯箱內全部採用過冷液氧的化，液氧貯箱的峰值壓力會大幅減小，這樣咱們就可以用更薄的貯箱來裝載這些液氧了。初步計算，由此帶來的液氧貯箱的減重程度，將會達到29.7%。

採用過冷液氧和煤油後，在不改變現有運載火箭構型和硬體的前提下，可以多裝載8%的推進劑。對於某型運載火箭，也就是在現有結構重量和氣動外形不變的情況下，多裝了48.6噸的推進劑。

而實際上，因為是全過冷液氧，那麽液氧貯箱內的壓力要比傳統沸騰狀態下的壓力要小得多，貯箱內設計極限壓力可以由傳統的2.68個大氣壓，減少為1.63個大氣壓，也就是變為原來的60.8%，那麽貯箱壁厚就可以大幅變薄，從而減輕運載火箭的結構重量。 那麽，某型運載火箭的近地軌道的25噸的運載能力，則能夠提升到29.5噸以上。 為咱們自己的工程師自豪吧！在大部分採用常規的-183℃的液氧的情況下，咱們的新一代運載火箭已經取得了這樣不錯的成績。如果全面採用過冷技術，一定會給出更加喜人的成就！

全過冷技術，也能夠有效避免加注過程中的兩相流紊流現象。 火箭越大，低溫推進劑越多，採用過冷技術獲得的好處也就越大。

蘇聯的暴風雪/能源重型運載火箭採用真空引射的方式來把液氧和液氫都降低到深度過冷的水準，大幅提升了能源運載火箭的運載能力。

美國的太空梭的液氫和液氧悄悄採用了過冷技術（真的是幾乎沒有對外界提起過，知道這些的火箭工程師也是很少的），把運載能力提升了10.13%。

文末，請準許小火箭再提一下承載蘇聯登月夢想的N-1運載火箭吧！

作為十幾年來在運載火箭總體設計專業求學和工作的人，最大的獎賞或許就是有那麽多人認定你可以繼承和發揚他們當年的夢想了吧！

小火箭在2015年、2016年和2018年，分三次探尋蘇聯N-1重型運載火箭相關的老工程師，在盡量爭取當面交流的機會的時候，機緣巧合，得知了N-1運載火箭的過冷液氧加注系統的設計細節。 為了兌現小火箭對那些白發蒼蒼的老工程師們的承諾，現將N-1運載火箭獨一無二的過冷技術以及我憑借個人記憶對這些殘缺不全的圖紙的解讀向有志於終生投身於人類太空探索事業的工程師們公布：

圖中是N-1運載火箭的深度過冷液氧加注系統的設計。主液氧管路是兩台大泵。 出液管有兩台小泵。分析了一下，應該是貯箱預冷的時候，把小泵先打開，一部分汽化後給罐體加壓，另外一部分預冷管路。兩台大泵並行運作，同時給一級和二級加注。 引射和排放，考慮很周到，圖裡面的那個7號就是遠距排放口。補加回流，大泵不工作，小泵打循環。 複雜的公式和圖表，只有一個目的：讓回流流量剛好與蒸發損失量相等，這樣火箭可以在發射前很從容。仔細看引射和進罐的過程，沒有用過冷器！8個容量為255立方米的大罐，配合大泵，每分鐘加注625立方米妥妥的，揚程2.6兆帕沒問題。 真空引射，小泵補加帶回流180立方米每分鐘也是妥妥的。這個和暴風雨號太空梭用液氫來過冷液氧的理念完全不同。真空罐引射，能夠確保液氧-201.15℃的極低溫度。 這種設計理念，值得學習！不過，真空引射有可能會帶進來一些水分，會有一定的安全隱患，另外就是相較與暴風雪號太空梭的-217.95℃的過冷液氧，N-1重型火箭的確糙了一點兒。

過冷的液氧，蘇聯工程師前輩比美國SpaceX公司的獵鷹9號火箭早應用了幾十年。一邊為這些設計細節所驚歎，粗中有細，敢想敢乾！一邊為N-1重型運載火箭的命運心疼得差點掉眼淚。說起N-1，太多人去關注多發動機並聯布局的可靠性而忽略了太多需要研究和分析的技術細節了。

美國未來要載人登月的SLS運載火箭，同樣採用了過冷液氧的技術。一級液氧貯箱的容積為741.9立方米，恢復為常壓傳統狀態下的液氧，再添上一點運輸管路中的液氧，差不多可以製成一座液氧的埃菲爾鐵塔/氧塔（埃菲爾鐵塔用鋼量為935立方米）

液氧在航空領域也有大量應用，比如戰鬥機和運輸機的呼吸保障系統。上圖為美國空軍的一名工程技術人員正在將液氧轉移到停靠在阿富汗巴格拉姆機場的一架洛克希德·馬丁公司的C-130J超級大力神運輸機上。

該美國空軍基地，每月消耗15000升的液氧。

F-15戰鬥機的生命保障系統也需要定期加注液氧。

本文，小火箭和大家共同探討了彈道導彈與運載火箭的過冷推進劑技術，從法拉第的液化氣體嘗試到二戰德國的V-2彈道導彈，聊到了德國工程師對液氧過冷技術的率先嘗試。到了蘇聯工程師那裡，過冷液氧不再僅僅是為了減少運輸和貯存過程中的損耗，更是賦予了洲際彈道導彈快速響應和可長期貯存隨時發射的新屬性。

美國則是在阿波羅登月時期把過冷液氧技術應用在了土星5號運載火箭上。再到現在，過冷液氧和煤油成為了SpaceX公司提升獵鷹9號運載火箭的運力同時賦予其目前尚無競爭者的入軌運載火箭可重複使用的能力。

期間，小火箭給出了計算彈道導彈和運載火箭的液氧損耗率的具體計算方法並針對典型運載火箭給出了算例，同時期待我國的新一代低溫推進劑運載火箭早日進入全過冷液氧時代。 全文結束，感謝細心閱讀，希望能夠喜歡！

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