3000多攝氏度。
當火箭發動機工作時,其噴嘴噴出的瓦斯溫度可以輕松超過太陽表面的一半。
那是不是意味着,火箭發動機是有可能把自己熔化的?
幸運的是,這樣的熔化事故并沒有發生,那麼設計者是如何做到的?
我們都知道,人如果發燒了,那就要想辦法散熱,有時會用上退熱貼。
那火箭發動機一直處于這麼高的溫度下,我們也要給它貼上“退熱貼”。
這就要提到第一種冷卻方法 - 燒蝕冷卻。
在燃燒室和噴管部位鋪上一層熔點極高的碳複合材料,高溫會把它燒蝕汽化,進而帶走熱量,而且分解産生的氣體還能形成一層保護層。
這種方法也同樣用在傳回艙的隔熱罩上。
當再入大氣層時,傳回艙底部的燒蝕材料被燃燒分解,進而保護了航天器。
這種方法簡單有效,但是缺點也很明顯,一旦燒蝕材料被消耗完,就無法再生或修複,那有沒有更好的辦法呢?
這就要說到第二種冷卻方法 - 再生冷卻。
它和汽車發動機的冷卻方法非常類似,冷卻液在發動機水道和散熱器之間流動,進而帶走多餘熱量,達到冷卻效果。
而對火箭發動機來說,它的冷卻液就是液體燃料,比如液氧、液氫和液态甲烷。
它們的儲存條件都是極低溫度,比如液态甲烷,它的儲存溫度至少在零下161攝氏度以下。
這些燃料在進入燃燒室之前,會先被引導流過噴管的壁面,跑上一圈,吸收掉噴管内部産生的高溫餘熱,順便也把自己加熱了。
吸收掉熱量的燃料,等于是先進行了一次預加熱。
而那些熱量,會随着燃料再次進入燃燒室,一點也沒有浪費。
不僅提高了燃燒效率,同時也有效降低了噴管溫度,防止其過熱熔化。
那麼溫度能降到多低呢?
比如RL-10發動機,噴管外壁都能結冰。
早期的再生冷卻發動機使用的是外部焊接的管道,比如土星5号的F1發動機,燃料從管道中流過并吸收熱量。
而随着技術的優化改進,管道被整合在管壁中以減小重量,這對于加工制造提出了更高的要求。
這麼多密密麻麻的微小管道,其實要承受着比燃燒室更大的壓力,那如果萬一破裂了,可怎麼辦?
别着急,這就引出了第三種冷卻方法 - 薄膜冷卻
這種辦法是将少量的流體燃料噴灑在噴管内壁上,以形成一層保護膜。
這種膜看似挺薄的,卻可以降低火箭噴出的熱氣與噴嘴壁直接接觸的面積,進而減少熱量傳遞,防止内壁過熱熔化。
當然了,用少量燃料來做薄膜冷卻,着實有點浪費。
有些發動機則會噴入瓦斯發動機的廢氣,以達到廢氣利用,比如梅林的真空版發動機。
最後一種是輻射冷卻。
這種方式很好了解,在太空的真空環境下,發動機的熱量隻能以熱輻射的形式散發出去。
為了能承受如此高溫,這種發動機的管壁通常制造得非常薄,這樣就擺脫了加裝冷卻系統的必要性,降低了複雜度和重量。
比如獵鷹9号的梅林-1D真空版發動機,它的噴管采用铌合金制成,厚度隻有0.4毫米。
對,你沒聽錯,0.4毫米就相當于4張A4紙疊在一起的厚度。
獵鷹9号在第二次發射時,人們發現二級火箭的發動機噴管那有一個裂縫。
此時,換一個噴管需要一個多月的時間,馬斯克當然不願意等。
于是他叫來了工程師,讓人家帶着剪刀爬到噴管内,把噴管下方開裂的部分用剪刀剪短了大概15厘米。
最後呢,火箭還能順利完成發射任務。
當然了,一台發動機的冷卻方式并不是唯一的,而是多種融合在一起,以便達到成本和效果之間的最佳平衡。