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自古以來(lái),用兵有個(gè)老規矩:“兵馬未動(dòng),糧草先行”。中國古代的戰爭基本都是靠人力,在那個(gè)冷兵器時(shí)代,將士們征戰四方長(cháng)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(cháng)征系列家族來(lái)說(shuō),火箭的“糧草”又是什么呢?火箭是如何“加油”的?
火箭的推進(jìn)劑
現代火箭看似復雜,原理其實(shí)非常簡(jiǎn)單,早在17世紀,牛頓就很清晰地進(jìn)行了描述:如果以一定速度向后拋出一定質(zhì)量,就會(huì )受到一個(gè)反作用力的推動(dòng),向前加速。
現代火箭向后拋出一定質(zhì)量是靠火箭發(fā)動(dòng)機來(lái)完成的。火箭發(fā)動(dòng)機點(diǎn)火以后,推進(jìn)劑(液體的或固體的燃料和氧化劑)在發(fā)動(dòng)機燃燒室里燃燒,產(chǎn)生大量高壓氣體;高壓氣體從發(fā)動(dòng)機噴管高速?lài)姵觯瑢鸺a(chǎn)生的反作用力,使火箭沿氣體噴射的反方向前進(jìn)。
為了產(chǎn)生足夠的反作用力,火箭的推進(jìn)劑至關(guān)重要,目前最常用的化學(xué)能火箭,可以分為液體推進(jìn)劑火箭、固體推進(jìn)劑火箭和固-液混合推進(jìn)劑火箭。在我國現役的長(cháng)征系列運載火箭中,除“長(cháng)十一”火箭(CZ-11)外,其他均為液體運載火箭。
長(cháng)征十一號運載火箭在海上發(fā)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(jìn)劑,典型的就如長(cháng)征五號系列(CZ-5、CZ-5B)。推進(jìn)劑加注是液體運載火箭發(fā)射組織過(guò)程的重要操作,其目的是將地面貯存的推進(jìn)劑按需求輸送至運載火箭貯箱中。相對于常溫推進(jìn)劑,低溫推進(jìn)劑具有超低溫、易相變等特點(diǎn),加注過(guò)程更為復雜。
低溫推進(jìn)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(jìn)劑(如液氫),后者用于密度較大的推進(jìn)劑(如液氧)。低溫推進(jìn)劑易相變消耗,因此往往將推進(jìn)劑加注操作置于火箭發(fā)射日,且盡量臨近發(fā)射時(shí)刻;另一方面,推進(jìn)劑溫度波動(dòng)會(huì )引起物性參數變化,對火箭發(fā)動(dòng)機的性能產(chǎn)生影響。
為了確保運載火箭性能,加注過(guò)程往往會(huì )對推進(jìn)劑溫度提出較強的約束性要求。然而,貯箱內推進(jìn)劑溫度實(shí)際又受到加注過(guò)程及停放時(shí)間的顯著(zhù)影響。因此,確定低溫推進(jìn)劑加注策略是低溫液體運載火箭發(fā)射流程組織過(guò)程中最重要的環(huán)節之一。鑒于低溫推進(jìn)劑的特性和系統實(shí)際需要,目前國內外運載火箭在低溫推進(jìn)劑的加注過(guò)程上普遍按照典型的4個(gè)階段實(shí)施:
(1)小流量加注階段。該階段實(shí)現對箭上貯箱系統的預冷,避免貯箱處于熱狀態(tài)下的急冷,同時(shí)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(shí)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(jìn)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(fā)消耗的推進(jìn)劑。
采用液氫、液氧低溫推進(jìn)劑的長(cháng)征五號火箭
火箭發(fā)射點(diǎn)火時(shí),為何會(huì )冒煙?
很多人都注意到,我國新一代運載火箭長(cháng)征五號、長(cháng)征七號(CZ-5、CZ-7)發(fā)射時(shí),會(huì )冒出大量的白煙。這個(gè)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(chǎn)生的。新一代運載火箭采用無(wú)毒無(wú)污染的液氫、液氧、煤油作為燃料,液體和氣體狀態(tài)的氧都是無(wú)色的,燃料的不充分燃燒會(huì )帶來(lái)少量白煙。
長(cháng)征三號乙運載火箭點(diǎn)火發(fā)射
火箭發(fā)射點(diǎn)火時(shí),哪里來(lái)的水蒸氣?
新一代火箭點(diǎn)火發(fā)射時(shí),箭體尾部噴出的火焰“直擊”發(fā)射平臺,使發(fā)射平臺表面溫度瞬間接近3000攝氏度,即使火箭發(fā)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(fā)射塔上,設有一個(gè)能容納600噸水的水箱,在火箭發(fā)射時(shí),水箱中的水通過(guò)“大流量噴水降溫降噪系統”技術(shù),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(huì )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(shí),火箭側壁也會(huì )冒出絲絲白煙。在火箭首飛時(shí),有不少觀(guān)眾第一次看到這種情景,擔心是不是燃料泄露。
其實(shí)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(diǎn)的超低溫,在與外界空氣接觸時(shí),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(jìn)行保溫,但還是會(huì )看到少量白煙。
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