语宙
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“下次火箭发射,一起来赏尾焰”
上面视频是前几天长征四号乙运载火箭点火起飞的场景,火箭尾部那浓烈的火焰格外夺目。
如果给上面视频中的尾焰拍一张清晰的照片,你可能会看到不一样的美,类似这样:
怎么能这么好看!能清晰地看到尾焰上一节一节的马赫环。(马赫环是在出口气流达到超音速时出现的现象。)
剧烈的燃烧,并非都是看起来“红红火火”的,火箭推进剂不同,燃烧后的尾焰也各不相同,哪种推进剂更高效呢?
可以借助一个专业的名词“比冲”,来衡量火箭发动机的燃烧效率。比冲,定义为单位推进剂所能提供的冲量(冲量,即动量的增量),比冲越高,等质量的推进剂就能产生更大的冲量。
比冲常见的单位是秒(s),可以理解为一公斤的推进剂持续产生一公斤的推力,能持续多少秒。
明确了衡量标准,接下来我们就来欣赏常见的几款尾焰。
第一款
这就是最开始提到的尾焰,产生这样尾焰的推进剂,是偏二甲肼-四氧化二氮组合。
而这类推进剂发动机的比冲虽然不算大,但也让人满意,比如视频中的长征四号乙运载火箭就是采用这种推进剂,起飞时第一级火箭的发动机比冲大约260s,二、三级火箭发动机的比冲最高在300s左右。
这种推进剂最大的缺点,就是偏二甲肼和四氧化二氮都有毒性,但好在都有应对策略。加上这种推进剂相对稳定、对应的点火方式也简单,所以是火箭发展早、中期最普遍的液体推进剂之一。
第二款
这款尾焰来自煤油-液氧推进剂。
火焰从黄色渐变到蓝色,随之温度也越来越高。相比上一款尾焰,火焰看起来更加不透明,因为煤油燃烧会有少量固体颗粒。
煤油-液氧是大推力火箭常用的推进剂之一,比冲高,而且实用。这类推进剂发动机的比冲,一般都在300s以上。
10月17日,宇宙神5号火箭发射升空,其中间的尾焰就是煤油-液氧推进剂所产生的。
第三款
这款尾焰来自液氢-液氧推进剂。上图是德尔塔IV型重型火箭升空的照片,它的尾焰看起来很透明。
不仅尾焰看起来透明,实际这种推进剂也很清洁,因为其燃烧反应物是水蒸气,应该是目前最清洁的火箭推进剂了。而且这类推进剂发动机比冲之高,也是数一数二的,真空比冲往往都在400s以上。
但因为有着推进剂不易储存等诸多难题,导致目前使用也不是很广。尽管如此,因为有前面提到的巨大优势,这种推进剂仍是未来发展趋势之一。
第四款
这一款尾焰来自固体推进剂。
在上图中,阿丽亚娜5号火箭尾部两边的火焰粗壮而耀眼,看着图片都觉得要睁不开眼了;相比之下,中间液体推进剂产生的尾焰真的是“小透明”了。因为固体推进剂燃烧后,在其产物中有大量的固体颗粒,所以这款尾焰会如此“不透明”。
相比于液体推进剂,固体推进剂对应的比冲都比较小。例如前面提到的宇宙神5号火箭,其助推器使用固体推进剂,比冲只有279.3s;而第一级采用煤油-液氧推进剂,比冲超过300s;第二级用液氢-液氧推进剂,比冲超过400s。
尽管比冲低,但固体推进剂便于保存,准备时间短,可以随时发射,且成本较低,成为众多火箭助推器和导弹中的推进剂。
第五款
本文最后一款尾焰来自甲烷-液氧推进剂。
火焰的温度比较高,所以呈蓝色,马赫环清晰可见。
同样是液体推进剂,放在最后是因为目前还没怎么被实际使用,不过也不会很遥远了。
SpaceX公司研发的“猛禽”发动机正是采用了甲烷-液氧推进剂,近两年的测试成绩不俗,其真空比冲将近400s,推力也强大,将成为SpaceX公司未来星际航行的选择。
正式因为甲烷-液氧发动机比冲高、推力大,运用到星际航行中也容易在太阳系其他行星补充燃料,而且也不会遇到液氢-液氧发动机那么多难题,所以近年来备受青睐。
预计10月29日,在酒泉卫星发射中心将有长征二号丙运载火箭升空,不妨到时看看火箭的尾焰是属于哪款。
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第 208 期
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