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火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?

说的没错,火箭发射时喷出的火焰温度接近3000℃,世界上并没有任何一种金属物质能够长时间承受这样的高温长时间加热,那么问题就来了:火箭为什么没有把自己熔化掉呢?

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?

答案是非金属耐高温材料的使用以及冷却设计。今天我们来聊一聊关于火箭耐高温的话题。

火箭在点火发射以后,喷口向外喷射高温火焰获得推力,而火焰就是通过火箭发动机喷口剧烈燃烧燃料产生的,这个火焰的温度可以达到2500℃~3000℃。

所以火箭发动机喷口需要一种耐高温材料来制造以及高效的散热设计来确保自己不被高温火焰熔化。

不同燃料的火箭需要不同的材料和设计来制造火箭发动机喷口,即液体火箭发动机和固体火箭发动机。

液体火箭发动机喷口的制造材料为钛锆钼合金,它能承受1800℃高温的长时间烧灼,是目前世界上大多数液体火箭发动机喷口的主要制造材料。

下图为正在焊接火箭发动机喷口的大国工匠高凤林,由于双层喷口的耐高温合金材料非常薄,任何失误都有可能导致散热设计失效,因此必须由技艺精湛的技工手工焊接。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?

很显然1800℃的抗高温性能并不足以承受2500℃火焰的长时间烧灼,因此在设计火箭发动机喷口时,采用了冷却设计。

也就是将火箭发动机喷口设计成双层,外层约1.8~2mm厚,内层约3mm,当火箭发动机点火时,低温液态氧和煤油或者其它燃料通过发动机输送管输送到喷口成为混合体时,低温液态燃料就顺便对喷口进行冷却。

该设计的冷却原理是通过低温液态燃料流经双层喷口的内部空腔,以高速流动的形式将喷口热量带走,从而达到冷却效果。

液态冷却设计的好处在于既能够将火箭发动机喷口的温度控制在1600℃以下,又能在冷却过程中预热氧-燃料低温混合物,使燃烧更可靠。

该设计灵感源自于气割喷嘴,它在点火工作时切割火焰温度超过了1500℃,气割喷嘴不被烧熔的原因正是喷嘴的双层设计——当氧-乙炔低温混合气体高速通过喷嘴时,高温也顺便被带走,使喷嘴不会造成温度叠加。

固体燃料火箭发动机就不同了,由于燃料是固态的,无法对火箭发动机喷嘴进行冷却,因此固体燃料火箭发动机喷口只能采用非金属耐高温材料制造——石墨。

下图为测试中的国产固体燃料火箭发动机,由于采用石墨环喷口设计,因此固体燃料火箭/导弹没有液体燃料火箭发动机那样的漏斗型喷口。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?

石墨的特点是耐高温性能非常好,它的熔点为3652℃,固体燃料火箭发动机安装了了一个环形石墨喷口,即使固体燃料中加入了奥克托今这样的烈性炸药辅助燃料,火焰温度超过了3000℃,也不会熔化喷口。

那么问题就来了:既然石墨环喷口耐高温性能远远超过了双层合金喷口,为什么大型火箭发动机还是选择了昂贵且复杂的双层合金喷口,而非石墨环喷口呢?

答案是双层合金喷口更可靠。石墨环喷口固然是更耐高温的,但是它有一个几乎无解的缺点,那就是易氧化。

石墨在常温下的化学性质非常稳定,但是当温度超过700℃时,它就会在空气中被氧化,并在氧化过程中氧化层会发生剥离。

所以石墨环喷口只适用于工作时间短的小型火箭发动机,比如说导弹(不包括巡航导弹)、小型运载火箭,而那些动辄工作几百秒的大型火箭就只能使用昂贵且复杂的双层合金喷口了。

下图为垂直着陆中的“猎鹰9号”可重复利用火箭芯一级,像这样的大型火箭是无法使用固体燃料发动机的,因为石墨环喷口会在工作中不断被氧化消耗掉,长时间工作不可靠。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?

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