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3000度高温!火箭发动机如何做到不被高温熔化?

作者:西方还有很长的路要走

3000多摄氏度。

当火箭发动机工作时,其喷嘴喷出的燃气温度可以轻松超过太阳表面的一半。

那是不是意味着,火箭发动机是有可能把自己熔化的?

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幸运的是,这样的熔化事故并没有发生,那么设计者是如何做到的?

我们都知道,人如果发烧了,那就要想办法散热,有时会用上退热贴。

那火箭发动机一直处于这么高的温度下,我们也要给它贴上“退热贴”。

这就要提到第一种冷却方法 - 烧蚀冷却。

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在燃烧室和喷管部位铺上一层熔点极高的碳复合材料,高温会把它烧蚀汽化,从而带走热量,而且分解产生的气体还能形成一层保护层。

这种方法也同样用在返回舱的隔热罩上。

当再入大气层时,返回舱底部的烧蚀材料被燃烧分解,从而保护了航天器。

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这种方法简单有效,但是缺点也很明显,一旦烧蚀材料被消耗完,就无法再生或修复,那有没有更好的办法呢?

这就要说到第二种冷却方法 - 再生冷却。

它和汽车发动机的冷却方法非常类似,冷却液在发动机水道和散热器之间流动,从而带走多余热量,达到冷却效果。

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而对火箭发动机来说,它的冷却液就是液体燃料,比如液氧、液氢和液态甲烷。

它们的保存条件都是极低温度,比如液态甲烷,它的保存温度至少在零下161摄氏度以下。

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这些燃料在进入燃烧室之前,会先被引导流过喷管的壁面,跑上一圈,吸收掉喷管内部产生的高温余热,顺便也把自己加热了。

吸收掉热量的燃料,等于是先进行了一次预加热。

而那些热量,会随着燃料再次进入燃烧室,一点也没有浪费。

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不仅提高了燃烧效率,同时也有效降低了喷管温度,防止其过热熔化。

那么温度能降到多低呢?

比如RL-10发动机,喷管外壁都能结冰。

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早期的再生冷却发动机使用的是外部焊接的管道,比如土星5号的F1发动机,燃料从管道中流过并吸收热量。

而随着技术的优化改进,管道被整合在管壁中以减小重量,这对于加工制造提出了更高的要求。

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这么多密密麻麻的微小管道,其实要承受着比燃烧室更大的压力,那如果万一破裂了,可怎么办?

别着急,这就引出了第三种冷却方法 - 薄膜冷却

这种办法是将少量的流体燃料喷洒在喷管内壁上,以形成一层保护膜。

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这种膜看似挺薄的,却可以降低火箭喷出的热气与喷嘴壁直接接触的面积,从而减少热量传递,防止内壁过热熔化。

当然了,用少量燃料来做薄膜冷却,着实有点浪费。

有些发动机则会喷入燃气发动机的废气,以达到废气利用,比如梅林的真空版发动机。

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最后一种是辐射冷却。

这种方式很好理解,在太空的真空环境下,发动机的热量只能以热辐射的形式散发出去。

为了能承受如此高温,这种发动机的管壁通常制造得非常薄,这样就摆脱了加装冷却系统的必要性,降低了复杂度和重量。

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比如猎鹰9号的梅林-1D真空版发动机,它的喷管采用铌合金制成,厚度只有0.4毫米。

对,你没听错,0.4毫米就相当于4张A4纸叠在一起的厚度。

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猎鹰9号在第二次发射时,人们发现二级火箭的发动机喷管那有一个裂缝。

此时,换一个喷管需要一个多月的时间,马斯克当然不愿意等。

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于是他叫来了工程师,让人家带着剪刀爬到喷管内,把喷管下方开裂的部分用剪刀剪短了大概15厘米。

最后呢,火箭还能顺利完成发射任务。

当然了,一台发动机的冷却方式并不是唯一的,而是多种融合在一起,以便达到成本和效果之间的最佳平衡。

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