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火箭“加油”的那些事兒

發布日期:2021年03月26日 來源 : 中國載人航天 字體: 【大】【中】【小】

  自古以來,用兵有個老規矩:“兵馬未動,糧草先行”。中國古代的戰爭基本都是靠人力,在那個冷兵器時代,將士們征戰四方長途跋涉要消耗一定的體力,糧草在軍隊作戰中具有舉足輕重的地位。那么對于現代探索太空的長征系列家族來說,火箭的“糧草”又是什么呢?火箭是如何“加油”的?


  火箭的推進劑


  現代火箭看似復雜,原理其實非常簡單,早在17世紀,牛頓就很清晰地進行了描述:如果以一定速度向后拋出一定質量,就會受到一個反作用力的推動,向前加速。


  現代火箭向后拋出一定質量是靠火箭發動機來完成的?;鸺l動機點火以后,推進劑(液體的或固體的燃料和氧化劑)在發動機燃燒室里燃燒,產生大量高壓氣體;高壓氣體從發動機噴管高速噴出,對火箭產生的反作用力,使火箭沿氣體噴射的反方向前進。


  為了產生足夠的反作用力,火箭的推進劑至關重要,目前最常用的化學能火箭,可以分為液體推進劑火箭、固體推進劑火箭和固-液混合推進劑火箭。在我國現役的長征系列運載火箭中,除“長十一”火箭(CZ-11)外,其他均為液體運載火箭。


  長征十一號運載火箭在海上發射


  液體火箭是如何加注燃料的?


  我國新一代運載火箭廣泛采用液氫、液氧低溫推進劑,典型的就如長征五號系列(CZ-5、CZ-5B)。推進劑加注是液體運載火箭發射組織過程的重要操作,其目的是將地面貯存的推進劑按需求輸送至運載火箭貯箱中。相對于常溫推進劑,低溫推進劑具有超低溫、易相變等特點,加注過程更為復雜。


  低溫推進劑的加注方法主要分為擠壓式加注和泵壓式加注兩種。前者常用于密度較小的推進劑(如液氫),后者用于密度較大的推進劑(如液氧)。低溫推進劑易相變消耗,因此往往將推進劑加注操作置于火箭發射日,且盡量臨近發射時刻;另一方面,推進劑溫度波動會引起物性參數變化,對火箭發動機的性能產生影響。


  為了確保運載火箭性能,加注過程往往會對推進劑溫度提出較強的約束性要求。然而,貯箱內推進劑溫度實際又受到加注過程及停放時間的顯著影響。因此,確定低溫推進劑加注策略是低溫液體運載火箭發射流程組織過程中最重要的環節之一。鑒于低溫推進劑的特性和系統實際需要,目前國內外運載火箭在低溫推進劑的加注過程上普遍按照典型的4個階段實施:


  (1)小流量加注階段。該階段實現對箭上貯箱系統的預冷,避免貯箱處于熱狀態下的急冷,同時防止貯箱超壓。


  (2)大流量加注階段。貯箱預冷至一定程度后,為減少加注時間而提高加注流量。


  (3)減速加注階段。加注至一定液位后為了確保推進劑的加注精度,降低加注速度。


  (4)停放補加階段。為適應箭上飛行需要,補充停放期間蒸發消耗的推進劑。


  采用液氫、液氧低溫推進劑的長征五號火箭


  火箭發射點火時,為何會冒煙?


  很多人都注意到,我國新一代運載火箭長征五號、長征七號(CZ-5、CZ-7)發射時,會冒出大量的白煙。這個白煙主要由兩部分構成,大部分是水蒸氣,還有一小部分是燃料燃燒后產生的。新一代運載火箭采用無毒無污染的液氫、液氧、煤油作為燃料,液體和氣體狀態的氧都是無色的,燃料的不充分燃燒會帶來少量白煙。


  長征三號乙運載火箭點火發射


  火箭發射點火時,哪里來的水蒸氣?


  新一代火箭點火發射時,箭體尾部噴出的火焰“直擊”發射平臺,使發射平臺表面溫度瞬間接近3000攝氏度,即使火箭發射平臺由特殊材料制成,表面有防熱涂層,也很難承受如此高的溫度。


  因此,新一代運載火箭的發射塔上,設有一個能容納600噸水的水箱,在火箭發射時,水箱中的水通過“大流量噴水降溫降噪系統”技術,在火箭飛到5米高以后向箭體尾部火焰中心噴水,噴水量達400噸,這些水會在瞬間被汽化。


  不僅如此,新一代運載火箭等待起飛和飛行時,火箭側壁也會冒出絲絲白煙。在火箭首飛時,有不少觀眾第一次看到這種情景,擔心是不是燃料泄露。


  其實不是的,這是因為火箭使用的是低溫貯存的液氫液氧燃料,液氫溫度為零下253攝氏度,液氧為零下183攝氏度,所以新一代運載火箭又被成為“冰箭”。這些燃料使得火箭內部是遠遠低于冰點的超低溫,在與外界空氣接觸時,就好像夏天在屋里放了一塊冰。雖然火箭外殼有真空隔絕層進行保溫,但還是會看到少量白煙。

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