強大推力的運載火箭是怎么點火的?
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火箭模型選北京新源博藝文化發(fā)展有限公司
起飛前8.9秒,發(fā)射臺小組將向土星五號運載火箭發(fā)送指令,通知土星五號運載火箭的儀器單元啟動第一級S-IC火箭底部五個F-1發(fā)動機的點火程序。第一步是向位于中心的編號為F-6044的發(fā)動機發(fā)出指令。在300毫秒的間隔后,向?qū)蔷€上的一對發(fā)動機F-6043/F-6051發(fā)出指令,最后向另一條對角線上的最后兩個發(fā)動機F-6046/F-6054發(fā)出指令。(啟動時間錯開,以防止火箭發(fā)動機同時點火。)。經(jīng)過一系列精心設(shè)計的程序后,每個發(fā)動機將把突然起動的影響程度降到最低,所有發(fā)動機將在T-1秒(發(fā)射前一秒)達(dá)到最大推力。
F-1引擎
1955年開始研制的F-1發(fā)動機是整個發(fā)射的關(guān)鍵。它是人類制造的推力最大的單燃燒室液體燃料發(fā)動機(680噸推力,20多年后由戰(zhàn)斗國開發(fā)的四燃燒室RD-170只有通過更高的效率才能達(dá)到其輸出水平)。它最初是為美國空軍開發(fā)的,稍后可能生產(chǎn)的重型洲際彈道**的技術(shù)儲備。但在被空軍放鴿子兩次后,我決定轉(zhuǎn)投美國宇航局。當(dāng)一臺F-1發(fā)動機在美國宇航局馬歇爾航天中心向新客戶進(jìn)行啟動演示時,幾十公里外的人都感到劇烈的震動。根據(jù)馬歇爾航天中心的數(shù)據(jù),當(dāng)時F-1火箭發(fā)動機的瞬時功率是巨大的胡佛大壩裝機容量的17倍!
hoover dam, 1939
在火箭發(fā)動機方面,通常的第一印象基本上是火箭發(fā)動機的錐形噴嘴(或噴嘴),這也是發(fā)動機最重要的部分,通常延長長度以達(dá)到更好的性能。
Saturn V at the KSC, 1989
錐形噴口下寬上窄,最上面是一個直徑不足1米的圓柱形空間,稱為燃燒室。燃燒室最頂端是一塊很厚的、有幾百個不同角度的小孔的**鋼板(噴注器),就像是一個巨大的噴淋蓮蓬頭。這些孔以圓環(huán)排列,向外不斷**燃料或氧化劑,讓它們充分燃燒。
3D模型,注意右邊中間就是噴淋頭
噴淋頭特寫。小孔的直徑比例經(jīng)過2000多次試驗后,有了明確的規(guī)格:最內(nèi)圈的若定義為標(biāo)準(zhǔn)1的話,往外一圈為1.627,再往外一圈為2.217,再往外一圈為2.739。
燃燒室和噴嘴的壁由管道構(gòu)成,煤油燃料通過**板噴出之前,在此管道內(nèi)環(huán)流來冷卻燃燒室壁。
噴嘴由178根小管焊接而成。流經(jīng)鎳基合金小管的低溫推進(jìn)劑不僅能保護噴嘴免受火災(zāi),還能完全預(yù)熱推進(jìn)劑本身。
80萬升的精煉煤油燃料RP-1和130萬升極冷的液氧LOX,直接從各自的油箱流向發(fā)動機是非常危險的,因為火箭發(fā)動機燃燒室中的壓力非常高,所以燃料很難單獨流入火箭發(fā)動機的燃燒室,甚至?xí)痪薮蟮膲毫? *板的噴淋頭孔壓回(通常稱為“回火”)。因此每個發(fā)動機都加配一個高達(dá)5.5萬RPM的渦輪加壓泵,安裝在燃燒室附近,將推進(jìn)劑加壓后再輸進(jìn)燃燒室。渦輪加壓泵通過燃燒少量推進(jìn)劑來驅(qū)動,有點類似于噴氣式發(fā)動機:燃燒產(chǎn)生的熱氣推動渦輪的軸,從而驅(qū)動高壓泵。
有史以來人類建造的功率最大的火箭渦輪泵(5.5萬馬力,41兆瓦!)綠色的為液氧主管線,紅色的為煤油主管線。
渦輪泵的最終任務(wù)是通過發(fā)動機的錐形端口**燃料和氧氣。然而,在**之前,它必須通過一個大的周圍排氣歧管(位于噴嘴延伸部分上方)。這些連續(xù)泵送的氣體可以防止噴嘴延伸部分被來自燃燒室的極熱氣體燒壞。它分為四條管道,其中兩條用來輸送燃料,兩條用來輸送液氧。推進(jìn)劑通過控制發(fā)動機的閥門從渦輪泵輸送到盤。
Apollo 12號上用的噴淋頭殘骸,還是不可避免有燒蝕
點火!
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事實上,F(xiàn)1發(fā)動機的渦輪泵在起飛前30秒開始運轉(zhuǎn)。當(dāng)幾個點火器被點燃以啟動渦輪機時,其它點火器也點燃發(fā)動機錐形端口中的富燃料氣體以形成小火焰。在傳感器確定點火器已經(jīng)成功點燃后,它發(fā)送信號打開主液氧閥,并將液氧注入燃燒室。這進(jìn)一步觸發(fā)了另一個閥門的開啟,以輸送燃料和液氧來驅(qū)動渦輪泵。隨著渦輪泵的加速,燃油管路中的壓力上升,點燃自點火燃油增壓管,* *進(jìn)入燃燒室。自燃燃料和液氧已經(jīng)在錐形端口自然點燃,以確保發(fā)動機啟動。這種點火過程寫起來非常復(fù)雜,是3年內(nèi)2000多次試驗后的最終點火方法,工程師們已經(jīng)測試了14種不同的**器方案和15種擋板結(jié)構(gòu)組合。(我還想問如何點燃。把這段自然的段落讀五遍。。。。。(
為了盡可能使發(fā)動機保持穩(wěn)定的工作狀態(tài),在檢測到燃燒室中的燃燒已經(jīng)開始后,燃油閥將正常打開,同時乙二醇將迅速從冷卻管中噴出并注入燃燒室,有助于穩(wěn)定地提高推力。所有發(fā)動機達(dá)到最大推力后大約一分鐘,巨大的火焰從土星五號運載火箭下面的錐形噴嘴中呼嘯而出,每個發(fā)動機的性能都由多個傳感器測量。在這一秒鐘以及隨后的每一秒鐘動力飛行中,每臺發(fā)動機消耗整整一噸煤油和2噸液氧——總共15噸推進(jìn)劑。運載火箭以全推力坐在發(fā)射臺上,等待所有發(fā)動機都達(dá)到最大推力的確認(rèn)信號,土星五號運載火箭可以起飛了。
1969年2000多次實驗中的某一次
起飛前,運載火箭的整體重量及其載荷由安裝在發(fā)射平臺14米孔(用于發(fā)動機排氣火焰)周圍的四個夾具固定。這些夾具是非常堅固的大夾具,具有機械連接結(jié)構(gòu),將火箭牢固地固定在發(fā)射平臺上(此時,發(fā)射平臺不會隨著地球的旋轉(zhuǎn)而改變方向)。當(dāng)控制發(fā)射的計算機確定所有發(fā)動機都達(dá)到最大推力時,連接機構(gòu)氣動收縮,四個夾具同時打開。三個小支柱,提供燃料和其他服務(wù)的底部的安全集成電路也被切斷,并向上擺動。幾個保護裝置從夾具和支柱上放下來,以在火箭起飛后和F-1發(fā)動機噴氣推進(jìn)前保護夾具和支柱。
Apollo 12 launched at 11:22 a.m. EST on Nov. 14, 1969
所有這些遏制和釋放機制都是提高火箭發(fā)射安全性的重要手段,也是一把雙刃劍。1959年8月14日,在大西洋靶場進(jìn)行的大力神B-5飛行試驗中,由于發(fā)動機點火引起的沖擊和振動峰值,約束和釋放機構(gòu)的爆炸螺栓提前失效。**升空,但控制系統(tǒng)尚未收到起飛信號,仍處于非起飛狀態(tài),在升高1.2~1.6米后緊急關(guān)機,**墜落發(fā)射臺爆炸。
失敗是成功之母
強大推力的運載火箭是怎么點火的?
言歸正傳。現(xiàn)在,這架巨大的飛機已經(jīng)開始上升,再也不可能安全返回發(fā)射臺(像SpaceX一樣)。因此,禁止在飛行的前30秒人為關(guān)閉發(fā)動機。作為對這種環(huán)境變化的反應(yīng),在發(fā)射前為火箭服務(wù)的五個擺臂必須快速擺動。當(dāng)火箭上升到第一個2厘米時,它們的擺動被觸發(fā)。作為該行動的一部分,所有連接到飛機上的臍帶必須立即分離。作為發(fā)射時間基準(zhǔn)的第一個起點,這一脫落標(biāo)志著土星五號運載火箭的正式發(fā)射。
短短幾分鐘內(nèi),這個一流的龐然大物幾乎燒掉了所有的燃料,被遺棄在海洋中。
你竟然翻到這兒了。。。。厲害!
有空再寫RS-25,歷史上最強大的太空火箭系統(tǒng)SLS的引擎。
提問
問:寫了這么多之后,我想知道在中國是用火柴還是防風(fēng)打火機點燃的。
答:我們國家的技術(shù)這么發(fā)達(dá),我們怎么能用這么不科學(xué)、不安全的東西點火,我們完全有能力生產(chǎn)一根40米長的香來配藥。
彩蛋
火箭里面什么樣?
波音工程師在第一級火箭上工作。大部分空間用于儲存燃料。
還有一些地方看上去,就像你第一次打開汽車引擎蓋的感覺。
上圖是S-II,土星5號的二級火箭內(nèi)部剖面圖。(有大量更細(xì)的圖紙保存完好,阿波羅登月的圖紙沒丟。)
信手拈來的圖紙
點贊比我想象的多嘛,那就更新一下吧(但愿你看到這里了)
最早的火箭發(fā)動機(1940年以前)是用所有可能的方法點燃的,包括用沾有易燃液體的布條包裹的木棒,木棒正在經(jīng)歷強烈的發(fā)光和放熱化學(xué)反應(yīng)。后來,因為火箭成為一種有前途的軍事技術(shù),電火花和火藥被用于點火。不幸的是,這些都不可靠。特別是當(dāng)火箭使用液體燃料時,大量不可壓縮的液體被注入燃燒室。如果火焰不能均勻地充滿燃燒室并在很短的時間內(nèi)燃燒,巨大的壓力會使燃燒室爆裂,發(fā)出巨大的噪音并產(chǎn)生碎片。即使燃燒短暫且不均勻,燃燒室或渦輪(預(yù)燃室的點火)也可能被意外的富氧高溫氣體直接燒穿。
第一項創(chuàng)新是1940年左右德國人的,他們發(fā)現(xiàn)了一些燃料的自燃混合物,如過氧化氫和肼、硝酸和松節(jié)油,通過混合適當(dāng)?shù)娜剂虾脱趸瘎鼈儠稹_@種發(fā)動機的“點火”只是啟動泵系統(tǒng)將燃料送入燃燒室。在同一時期,美國人做了一些類似的工作,如硝酸和苯胺的自燃火箭。快速自燃是這一時期實際火箭推進(jìn)劑的默認(rèn)要求自燃速度不夠快的燃料不能使用。戰(zhàn)后,雙方的研究融合在一起,最終形成了經(jīng)過試驗和檢驗的自點火火箭推進(jìn)劑一氧化二氮/肼。蘇聯(lián)也在德國的基礎(chǔ)上進(jìn)行了類似的研究,這項技術(shù)被轉(zhuǎn)移到中國,通常被稱為萬年法。
第二項創(chuàng)新是適用于液氧/煤油火箭的自燃點火。有些人已經(jīng)研究液氧/汽油/煤油/柴油火箭發(fā)動機很長時間了,但是液氧和有機物的混合物有一個* *目的,它傾向于爆炸而不是燃燒,并且對實驗者不是很友好。美國有幾種煤油發(fā)動機是由火藥點燃的,但它們?nèi)匀徊豢煽俊=鉀Q這個問題的方法是使用金屬有機化合物、三乙基鋁、二乙基鋅、三乙基硼和其他化合物在空氣中自燃,尤其是液氧。只需在管道中準(zhǔn)備一個裝有引火劑的小玻璃管,就能簡單可靠地保證點火。這是美國液氧煤油發(fā)動機常用的點火方法。
第三項創(chuàng)新是適用于液氧/液氫火箭的電火花塞,雖然它的設(shè)計遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了火花塞的水平,但把它描述成一個焊槍可能更合適。事實上,點火裝置是主噴油器設(shè)計的一部分。火花塞產(chǎn)生火花,周圍的小孔**燃料產(chǎn)生小火焰。然后,* *被添加到**小孔中以形成足夠大的火焰,然后從所有**孔**的燃料被點燃以啟動主燃燒室。J2X和SSME都使用火花點火。
SSME的火花塞點火機構(gòu)
在同一時期,蘇聯(lián)也做了一些工作。例如,除了自燃推進(jìn)劑之外,他們還開發(fā)了煤油發(fā)動機,有時還使用不同于美國的起爆裝置點火方案,即帶有電熱絲的火藥柱。點火時,點燃的火藥柱將熱氣送入燃燒室點燃燃料。在一些火箭上,這種火藥柱安裝在一個木棒頭上,從噴嘴直接戳到燃燒室點火,這是非常古老的研究人員的風(fēng)格。從蘇聯(lián)的應(yīng)用表現(xiàn)來看,他們對火藥藝術(shù)的研究比美國人更深入。
最后也是最新的點火方法是脈沖等離子炬點火。如果以前電火花塞的氫氧火焰可以稱為氣焊,這很可能是電焊。高壓脈沖電源在電極間產(chǎn)生高溫等離子體,并通過電場力**,可有效點燃各種**燃料。與電火花塞技術(shù)相比,它的局限性較小,因為它不需要逐步擴大火焰。特別是,在這種點火方法中,點火器本身沒有損壞,并且能夠多次重新啟動發(fā)動機點火。起爆裝置和化學(xué)品的數(shù)量是有限制的。