彗星解码（十）｜火箭也挑食——吃好吃饱才能一飞冲天
文摘
科技
2024-10-22 21:53
海南
中国有句古话，“民以食为天”，这话放到高科技产物—火箭身上也很管用。想像一下，火箭是怎么克服地心引力一飞冲天，最后进入外太空的呢？原来，发射前它们已经“吃”下了大量的“食物”——推进剂。“吃”饱了自然就有力气飞咯！
那么，火箭喜欢“吃”的推进剂是什么？火箭是怎么把它“吃”下去的？它又是如何助力火箭升空的呢？让我们继续往下看。
图 | 来源于新华社 （长征6号改采用混合推进剂，即液氧/煤油+常规推进剂）
就像汽车依赖汽油行驶，火箭也需要燃料来升空，而推进剂就是火箭燃料的统称，通过燃烧产生推力以推动火箭运行。它就像是专为火箭定制的菜单，里面包含三大菜系，每个菜系里分为不同菜品，可谓色香味俱全。在执行发射任务前，“服务员”（发射工作人员）要根据不同火箭的“口味”（需求）按时上菜，确保它们在发射时能获得足够能量，一飞冲天。
1.固体推进剂——东北菜：就像我们过春节放的鞭炮里的火药，将燃料和氧化剂以固态形式混合在一起，像一个巨大的燃料柱子，行业内将其称为“药柱”。如同以豪爽浓烈的东北菜一样，大块吃肉、大碗喝酒，喷发出的火焰极具观赏性。用料：通常由氧化剂、燃料、粘合剂、增塑剂、固化剂和其他添加剂等部分组成。好吃：结构简单、便于携带和储存、维护简便、快速响应，就像分量足、味道重的东北菜能够迅速填饱肚子一样，迅速为火箭提供快速动力响应。忌口：过于浓郁的重口味让很多人无法适应——固体推进剂的能量密度和比冲相对较低，燃烧不易控制，不具备多次点火能力。食客：追求当下入口的快感——适合于需要快速发射的场合，常见于小型火箭和导弹中。明星食客：长征十一号、引力一号遥一商业运载火箭、力箭一号运载火箭![]()
2. 液体推进剂——粤菜：一开始追求食物的原汁原味，将燃烧剂和氧化剂分别存储在两个独立的容器中，需要在燃烧前相互混合。用料：由液体氧化剂和液体燃料两部分组成。常见的液体氧化剂有液氧、液氟、四氧化二氮和过氧化氢。液体燃料则包括烃类燃料、液氢、混胺燃料以及肼类燃料等。好吃：比冲高、推力可调节、能够多次启动和停运。就像粤菜对食材新鲜度和烹饪流程性的极致追求，液体推进剂需要精心储存和处理。忌口：粤菜的清淡不适合重口味的人——易燃易爆且加注过程复杂。食客：食材珍贵需要慢慢品尝——适用于一些需要长时间飞行和对推进力要求较高的任务，比如运载火箭。图 | 来源于百度百科 （采用液氧甲烷作推进剂的朱雀二号）3.混合推进剂——川菜：川菜被美食家评价为“一菜一格，百菜百味”，它融合了多个流派特色，既有清淡雅致的美食，也有麻辣爆爽的痛快。混合推进剂如川菜般结合了固体燃料、液体燃料的不同特点，在实际应用中相对较少。用料：混合推进剂火箭发动机通常由固体燃料和液体氧化剂组成，或者液体燃料和固体氧化剂。好吃：既有清淡的蒸煮菜也有浓郁的火锅，能够满足不同人的口味——安全性高、推力可调节、易关机和重新启动，适合需要多次点火的任务、具有较高能量密度、环保、受环境温度影响小。忌口：虽然川菜受众较广，但仍有不少食客忌惮它的麻辣——混合推进剂应用频率相对较低，其燃烧速度和均匀度亟待技术创新，提升效率。食客：探空火箭、小型运载火箭、靶标与导弹、亚轨道飞行器及载人飞船。明星食客：长征六号改运载火箭、朱雀二号遥二运载火箭 不同人偏爱不同口味，不同火箭适用不同推进剂，其选择取决于火箭的设计需求和使用目标。总而言之，想要火箭飞得高飞得快，关键在于挑选合适的推进剂，并确保其供应充足，以提供持续强劲的推力。发射火箭是一项高风险的任务，保障其安全升空是头等大事。点火前，火箭的“食物”——推进剂的储存、运输和使用都必须符合严格的安全标准。让我们以固体推进剂和液体推进剂为例，一起看看为了吃饱吃好，这些火箭都有什么要求。固体推进剂火箭：“我已经在家吃饱了，开始工作吧！”就像鞭炮里的火药具有良好稳定性，能够在常温下长期保存，在火箭制造时，工作人员就已将固体推进剂预先装入助推器或主体的固体发动机燃烧室中，省去到发射场再进行加注的步骤。这样，使用固体推进剂的火箭就不需要复杂的加注设备，还能缩短发射准备时间。液体推进剂火箭：“用餐前要有仪式感，我的食材可讲究了，你们给我小心护着！”液体推进剂具有易燃易爆和易挥发的特性，通常不会在火箭运输过程中携带，而是直到发射前在发射台上站立时才会进行加注。它的储存与运输相较于固体推进剂那可真是仪式感满满，一个环节都不能疏忽，这关乎到它的安全性、稳定性，并影响着最终发射效率。首先，液体推进剂通常储存在特制容器中，之所以说特制，是因为这些容器具备防爆、防腐和防漏特性，并具有良好的绝热性能维持推进剂的适宜温度，有效抑制其汽化量或防止温度上升过快。比如，液氧和液氢等低温推进剂需要在低温条件下储存，这就要求储存容器必须具备出色的绝热性能，并能及时排放蒸发气体以避免超压。运输过程中更是谨小慎微，同样必须使用具备防爆、防腐和防泄漏特性的专用运输车辆，严格遵守特定路线和速度限制行驶。整个过程中要确保储存容器与其他设施隔离，并配备防火、防爆及防泄漏应急设备，同时定期检查以确保安全和完整，随时应对突发事故。![]()
图 | 蒋聚荣 摄（长征八号遥三运载火箭）
终于到了激动人心的开餐时刻：发射前，液体推进剂储存容器与加注系统相连，以便将其安全地输送到位于火箭主体部分的液体燃料贮箱和氧化剂贮箱中，直到进入发动机燃烧室前才会混合。这个输送过程复杂且难度高，通常包括小流量加注阶段、大流量加注阶段、减速加注阶段以及补加阶段，若是遇上低温液体推进剂，那环节更复杂了：要先小流量对管路和贮箱进行预冷，再大流量进行贮箱加注，最后还要持续补加到火箭发射前数分钟或起飞时再断开管路。接下来，工作人员还会进行一系列严格的检查，确保推进剂无泄漏，所有加注管道和阀门均处于正常状态。同时，测试火箭的控制系统，确保从点火到飞行的每个环节都能精确执行。这时的火箭肚里有货，心里不慌。它昂首挺立在发射工位上，睥睨众生。看着工作人员们为它忙前忙后，理所当然享受着万人瞩目。当火箭点燃推进剂，推进剂在燃烧室内剧烈燃烧会产生大量高温高压气体。这些气体以惊人速度从火箭尾部喷口喷出，产生巨大反作用力，推动火箭向上飞行。这一过程就像你用力推别人时自己也会向后倒退。每一个作用力都有一个相等而相反的反作用力，火箭升空也是这个道理。在进入外太空前，火箭会经历强烈震动和高速飞行带来的空气阻力等极端环境。这时，液体推进剂火箭还需在飞行过程中不断调整推进剂的流动，以保持推力足够支撑火箭平稳穿越大气层，顺利克服各种阻力，成功进入预定轨道。在我国漫漫航天征途中，每一种推进剂都扮演着不可或缺的角色，共同为火箭腾飞提供强大动力。中国航天人始终遵循安全高效准则，不断探索和研究，面对如四氧化二氮和偏二甲肼等传统推进剂燃烧产生的环境问题，努力研发更环保、更符合国际生态标准、更高效的推进剂。随着科技的不断进步，我们有理由相信，未来火箭会吃得更绿色，更好、更丰富，同时飞得更快、更高、更远。
关键词：海南商发、海南商业航天发射场、商业航天、火箭推进剂、科学科普、航天科普![]()
