一根液氢管上的“减法”

火箭的本质是运输工具。对于它，我们的愿望很朴素——到点就走，风雨无阻。

系统工程之下，牵一发而动全身。具体而言，是极端环境下数以万计的零件、数十个分系统的紧密协作，在那些关键核心、不可冗余之处，没有可商榷余地，决不允许出问题。于是在这条铁律之下，30余年来，液氢输送管路的双层设计几乎无人敢动。

直至今年。

2026年7月5日，首次应用单层外绝热液氢输送管的长征八号甲运载火箭发射成功，输送管绝热、预冷、输送各项指标达到设计要求；8月4日、9月23日，长八甲接连传捷报，单层管的设计再次在实践中被验证可靠可用。

一度“只能做双层”的液氢管

我国现役多款火箭，诸如长五、长七甲、长八甲等火箭均选用了液氢液氧发动机，优势是比冲高、绿色环保。代价是推进剂不好“伺候”，尤其是液氢。不论其他，单是输送它的那根不起眼的管子都藏着许多难题。

液氢常压沸点约零下253摄氏度，接近热力学极限温度。它很“冷”，冷到普通空气一旦进入管路会迅速液化甚至固化；它又很“轻”，密度约为水的1/14，输送同样质量的燃料，管路往往更粗、表面积更大，外界热量更容易渗进去。

所以液氢输送管不仅要把氢送过去，还要让热别进来。热量进管，液氢会沸腾；少量气体混进液体，会影响发动机稳定工作。

对此，我国在90年代制定了一套真空液氢输送的方案，绝热性能极优，但代价也明显：两根管子套在一起，中间要抽真空、做支撑、封夹层；生产工序长，单根制造周期常以月计；外层一旦磕碰，真空度便可能下降，绝热性能也会随之衰减。

“不止一次任务过程中，双层输送管发生过磕碰事件，本着不带问题上天的原则，只能重新生产交付。但双层管工序多、周期长，严重耽误了既定任务的实施。”航天科技集团赵春宇表示。

“双层的设计精巧、性能好，但是在高密度发射、批量制造的新要求下，它结构效率低、生产配套慢、成本价格高的劣势逐渐凸显。”她说。

真空夹层有多权威

几十年、上百发火箭，不断验证双层液氢输送管的性能优势，“双层真空绝热”作为长期以来的最优解，已深入人心。然而，其“重、慢、贵”的短板，也在高密度发射形势下被进一步放大。

爱其性能优，恨其太烦琐。

对于工程团队而言，这是一种“又爱又恨”的存在。所有人都期待一种更简洁、高效的替代方案，但在涉及液氢这种极端介质的输送问题上，任何结构上的改动都意味着要面对未知风险的挑战。因此即便有新的解决方案，质疑其可靠性的声音也必然如影随形。

打破这一延续数十年的技术坚冰，需要勇气，更需要扎实的技术底气。

航天科技集团一院一部2室在液氧的管路设计中已经尝试单层外绝热。介质温度没那么低、热负荷没那么重时，靠性能足够的绝热层外包，就能替代部分真空结构。团队看到了这一点，“液氢能不能也走这条路”的念头，始终萦绕在大家心头。

2022年前后，型号研制对降本、提速、批产的要求更明确，团队把“单层外绝热液氢输送管”列入论证。

这不是拍脑袋就能解决的问题。液氢对绝热材料的要求远高于一般低温：材料要在零下253摄氏度保持柔韧，不脆裂、不收缩；导热要足够低，尽量接近真空夹层的等效绝热效果；要能随火箭振动、噪声、冲击而不脱层、不开裂；长期停放贮存和多次加注温循前，性能不能明显退化……

团队把问题掰开揉碎：外绝热层能替代真空夹层多少功能？材料选什么？支撑、补偿器、法兰、传感器接口怎么优化设计？一旦某处绝热受损，有没有冗余和监测手段？要做哪些试验才能保证可靠性？

“把想法落地，我们需要面对、解决的问题太多了。”航天科技集团杨茜茜表示，双层结构的确非常可靠，是前辈们在当年有限的技术条件下得出的了不起的最优解。团队完全可以继续使用这项工艺，但当看到如今有新的可能时，还是想主动探索一下。

换一根管道有多麻烦

想法落地的第一步，是给管子穿件合适的“衣服”。

液氢温区对绝热的要求极为苛刻，材料要在工作时保持柔韧，导热要足够低，还要扛得住火箭振动。团队调研了聚氨酯、聚乙烯、聚酰亚胺等多种材料，花了半年时间做物性测试和换热仿真，最终才选定了聚氨酯。

“密度低、导热率低，综合性能最优异。”杨茜茜说，这是选中它的原因。

材料定了，真正的硬仗才刚开始。所有试验都没有现成条件，试验方案得重新设计，系统得自己搭，产品得专门投产。

“为了模拟长八甲二级入轨后长时间滑行面临的太阳辐射，我们专门做了热真空试验，把管路放进真空罐，用热源模拟太阳烘烤，看绝热材料能不能扛住长时间的辐射热。”赵春宇介绍，试验要在真实液氢介质下验证，费用高周期长，尤其是单机振动试验一做就得三、四个月。

“补偿器放哪、卡箍怎么支撑、疲劳寿命怎么样……”团队成员王鸣鹤做了大量仿真工作，反复调整绝热结构厚度、过渡形式和管路走向，分析了上百种工况只为找到最优解。

在产品成功研制之前，有一个小插曲让团队成员杨周剑云印象深刻。团队从零搭了一套液氢温区试验系统，从当年12月一直干到次年3月。第一次系统级温度测量试验时，测出的管路出口温度异常偏高，所有人都心头一紧——难道绝热设计失败了？经过连夜排查，反复比对数据曲线，团队最后发现是温度传感器出现偏差，产品本身没问题，虚惊一场。

经过力学环境试验、热真空试验、液氢流动预冷试验、动力系统绝热性能测量试验、搭载发动机试验等五大类、15项充分试验验证后，单层外绝热液氢输送管被成功研发出来了。

下一步，是上箭实战。

长八甲吃下这第一个螃蟹

团队负责人刘文川还深度参与了长八甲火箭增压输送系统的设计。他深知这项改动背后蕴含的深远意义，在算清许多笔账之后，认为这样改一定能换来时间、金钱甚至是更多可能。于是他大胆地向长八甲火箭推荐使用这一新管路设计。

过去的双层真空管，工序多达52道，周期约80天，单根成本近30万元。改成单层外绝热后，工序压缩到22道，周期缩短到24天，单根成本降到15万元左右。

“每发长八甲火箭用两根，单发就能省下30万；按年发射20发算，全年能省下数百万。”刘文川介绍，这根管子还更轻，能让火箭带更多有效载荷。

如果向其他火箭推广开来，这笔账会更划算。

赵春宇补充道，双层管工序复杂、生产困难，对产能资源占用大、生产能力要求高。改成单层管后，它就成了常规管路，能大大提高生产效率。

这些令人兴奋的经济账有一个巨大的前提，要可靠。“经过一轮轮试验验证，我们很有信心。”刘文川表示。

对于长八甲这样新一代运载火箭而言，创新是常态。应用这样一个有前景的新管路方案，长八甲火箭团队很有兴趣。

“团队经历了多轮复核复算、专家审查。各级领导在出厂前审查时都格外关注这项改动。说实话我们也很紧张。”赵春宇表示。

“文川主任有一个本子，专门记着长八甲火箭每一发的液氢输送管遥测数据，我看到他在发射时翻阅、对比前几发的数据，和用双层管时的技术参数几乎一样。”杨茜茜说。

7月5日、8月4日、9月23日，采用单层外绝热液氢输送管的长八甲火箭接续发射圆满成功。

“单层管，没问题。”刘文川心里的石头落了地。

这是一件颠覆性的成果吗？团队没有这样认为，他们更愿意把它当作一次回归。回归到工程本质、真实需求，问清楚哪一层真正起作用，哪一层只是历史条件下不得不保留的冗余。

三十年前，靠复杂结构和超高工艺追求极致性能；三十年后，同一支队伍试着“去繁就简”，用更经济的设计做同样的事。

中国航天需要这样。