火箭一飛沖天的幕后“加油”故事

汽車、輪船以及飛機(jī)都是依靠燃油或者燃?xì)庾鳛槿剂蟻眚?qū)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)正常行駛的，運(yùn)載火箭是以什么作為動(dòng)力，進(jìn)入太空的呢？

火箭的燃料

運(yùn)載火箭以化學(xué)能作為動(dòng)力進(jìn)入太空，人們習(xí)慣上把燃燒劑和氧化劑通稱為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料或推進(jìn)劑。

液氧儲(chǔ)罐

燃燒劑由煤油、酒精、偏二甲肼或液態(tài)氫等組成，而氧化劑則是“助燃高手”，包含了液態(tài)氧、四氧化二氮等，為燃燒提供助力。當(dāng)這兩種“燃料搭檔”相遇時(shí)，便會(huì)迸發(fā)出熾熱的“激情”，產(chǎn)生高溫高壓的氣體。這些氣體從火箭噴口噴涌而出，形成巨大的推力，像一只無形的手，將運(yùn)載火箭推向浩瀚的太空。正是這種“化學(xué)魔法”，讓人類得以掙脫地球的引力，開啟探索宇宙的壯麗旅程。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的“能量之源”主要分為兩種形式：液體推進(jìn)劑和固體推進(jìn)劑，它們就像火箭的“血液”和“肌肉”，各有千秋。液體推進(jìn)劑由液體燃料和氧化劑組成，雖然“脾氣暴躁”——易燃易爆且容易泄漏，但它“靈活多變”，推力可調(diào)，適合需要精準(zhǔn)操控的大型運(yùn)載火箭和航天器姿態(tài)控制。不過，液體火箭通常只能在發(fā)射前“臨時(shí)加油”，無法帶著燃料長途跋涉。而固體推進(jìn)劑則像一塊“能量壓縮餅干”，出廠前就填裝完畢，無需臨時(shí)加注，能使發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間大大縮短。它“力大無窮”，能量密度高，還能減小火箭尺寸。但由于它的推力不可調(diào)節(jié)，燃燒時(shí)間有限，因此多用于小型快速發(fā)射火箭或大型火箭的助推級(jí)。

噴漆后的火箭貯箱

目前常用的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)按推進(jìn)劑類型分為液體、固體和固—液混合推進(jìn)劑火箭。由于固態(tài)燃燒劑在特定條件下能夠產(chǎn)生較高的能量密度，相較于單純依靠液態(tài)氧化劑提供能量的方式，在研制的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中固 — 液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)更為常見。

火箭燃料加注

運(yùn)載火箭的低溫推進(jìn)劑加注過程就像一場精心策劃的“降溫儀式”，分為四個(gè)關(guān)鍵階段，每個(gè)階段都像在跳一支“冷與熱”的平衡之舞。

（1）小流量加注階段

火箭和貯箱在加注前處于常溫狀態(tài)，但相較于低溫推進(jìn)劑來說，無疑是一塊“燒紅的鐵板”，而低溫推進(jìn)劑則更像是“冰涼的泉水”。如果直接大量加注，就像把涼水潑在熱鐵上，會(huì)在一瞬間激起大量蒸汽，很有可能引發(fā)危險(xiǎn)。因此，加注過程先從“溫柔喚醒”開始，用小流量緩慢冷卻，讓貯箱逐漸適應(yīng)低溫。

（2）大流量加注階段

當(dāng)貯箱逐漸冷卻，加注進(jìn)入“全速?zèng)_刺”階段。就像運(yùn)動(dòng)員在熱身結(jié)束后開始加速奔跑，大流量加注可以節(jié)省時(shí)間，但速度仍需控制，避免“跑得太快”對(duì)火箭結(jié)構(gòu)造成額外壓力。

（3）減速加注階段

當(dāng)貯箱液位接近目標(biāo)時(shí)，加注速度再次放緩，進(jìn)入“精準(zhǔn)收官”階段。就像倒?jié)M一杯水時(shí)，最后幾滴需要格外小心，推進(jìn)劑加注也并非越多越好，過量反而會(huì)影響火箭的“輕盈身姿”。

（4）停放補(bǔ)加階段

加注結(jié)束后，推進(jìn)劑進(jìn)入“停放階段”，就像一杯冰飲在室溫下會(huì)慢慢蒸發(fā)。為了彌補(bǔ)蒸發(fā)損失，臨射前會(huì)進(jìn)行最后的“補(bǔ)能”，以小流量加注確保推進(jìn)劑量精準(zhǔn)無誤，為火箭的“終極一躍”做好充分準(zhǔn)備。

當(dāng)推進(jìn)劑加注完成，火箭便進(jìn)入臨射狀態(tài)，整裝待發(fā)，準(zhǔn)備迎接那震撼人心的“飛天時(shí)刻”！

火箭發(fā)射時(shí)為何會(huì)冒煙

隨著發(fā)射“起飛”的口令發(fā)出，火箭騰空而起，發(fā)射平臺(tái)冒起了滾滾白煙。

這些白煙難道是燃料泄露嗎？當(dāng)然不是了，新一代運(yùn)載火箭采用無毒無污染的液氫、液氧、煤油作為燃料，這些白煙中有一小部分是由于燃料的不充分燃燒。大部分則來自于瞬間汽化的水蒸氣。這些水蒸氣又是從哪里來的呢？當(dāng)火箭發(fā)射時(shí)，它尾部噴涌的火焰就如同一頭“熾熱的巨龍”，溫度會(huì)在瞬間逼近3000攝氏度，足以讓任何材料“瑟瑟發(fā)抖”。為了“馴服”這條巨龍，發(fā)射塔上配備了一個(gè)能容納600噸水的“超級(jí)水箱”。當(dāng)火箭點(diǎn)火升空，飛到5米高時(shí)，400噸水會(huì)通過“大流量噴水降溫降噪系統(tǒng)”技術(shù)向箭體尾部火焰中心噴水。這些水在高溫下瞬間汽化，化作滾滾白煙，仿佛為火箭披上了一層“云霧斗篷”。

這些白煙是水蒸氣與少量未充分燃燒的燃料共同演繹的“視覺盛宴”。正是這套“水火交融”的智慧，保護(hù)了發(fā)射平臺(tái)，也讓火箭的飛天之路更加安全與壯觀！

部分信息來源于：環(huán)球網(wǎng)、中國載人航天工程辦公室、科普中國等

（科學(xué)性審核：劉勇，中國科學(xué)院國家空間科學(xué)中心研究員）

本文來自： 中國數(shù)字科技館

責(zé)任編輯：王磊