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鲜为人知的火箭尾喷管黑科技 不是你想象的那样简单

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  • 最后更新:2019-09-27

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[摘要]火箭点火时那个喷出火焰的喇叭形的装置,就是喷管,它在火箭的能量转换过程中起着非常关键的作用。

腾讯科技讯(乔辉)近日,国内商业航天企业蓝箭航天宣布,公司自主研发的“天鹊”(TQ-12)80吨液氧甲烷发动机喷管夹层激光焊接一次成功,首台80吨发动机喷管顺利下线。据悉,使用该项技术,可使成本降低90%!带着对这种黑科技的敬畏,我们采访了蓝箭航天CEO张昌武和蓝箭航天高级工程师、推力室负责人袁宇。根据他们的介绍,我们把干货内容从科普层面进行了梳理和总结。

什么是喷管?

航天飞机发射时的北京市中医根治癫痫病三个尾喷管

火箭点火时那个喷出火焰的喇叭形的装置,就是喷管。它是火箭发动机推力室的一个重要装置。负责将推进剂燃烧产生的高温、高压燃气的热能转化为动能。大家平时看到的“大喇叭”其实是它的后半部分,喷管的前半部是由大变小向中间收缩至一个窄喉,也就是倒着的“小喇叭”。

著名的火箭工程师冯o布劳恩和巨大的土星五号火箭尾喷管

窄喉之后又由小变大向外扩张至出口,也就是我们看到的“大喇叭”。箭体中的气体受高压流入喷嘴的前半部,穿过窄喉后由后半部喷出。这一结构可使气流的速度因喷截面积的变化而变化,燃气通过喉部后,在喷管中进一步的膨胀、加速,马赫数从1增加至4左右,喷管出口处的燃气喷射速度高达3500m/s以上,以获得巨大的推力。由于它是瑞典人拉瓦尔发明的,因此这种“喇叭形”的喷管被称为"拉瓦尔喷管"。可以说,喷管是火箭发动机比冲性能的保证。

反直觉的喷管现象

这里有一个看似违反直觉的现象:玩过水管的朋友都知道,当你把水管用手捏扁的时候,水流会变细且能喷出去更远。那么这个尾喷管为什么反而逐渐变粗呢?这样的话速度不是会降低了吗?简单来讲是这样的,水流与火箭的燃气不同。水流是不可压缩的流体,而火箭燃烧产生的高压燃气在窄喉的两侧的压强不同,温度也不同。无论再大的压强,燃气在窄喉处的最大速度只能达到声速,当燃气越过窄喉后,在尾喷管处迅速膨胀降温,把内能转变为动能。因此,喷管在火箭的能量转换过程中起着非常关键的作用。

喷管如何才能承受这么高的温度?

据悉,大推力液体火箭发动机在工作时,喷管需要承受燃气剧烈的高温加热作用,燃气温度在1000至3000度之间,表面热流密度从4至20MW/m2之间,与太阳表面的热流密度接近。什么材料才能承受如此高的温度呢?科学家想出了更好的办法,那就是使用推进剂来对西安如何能治好羊癫疯喷管进行冷却。我们知道液氢的温度是零下253摄氏度,液氧的温度是零下183摄氏度,现成的冷却剂啊。

具体方式就是将喷管的结构做成夹层的,让推进剂在进入燃烧室之前,先在夹层里高速流动,带走燃气传给喷管的热量,保证喷管不被烧毁。燃气传给推进剂的热量对推进剂进行了预热,这部分热量最后又被推进剂带回了燃烧室,得到了再生,因此称之为再生冷却喷管,或主动冷却喷管。

对于其他没有用低温燃料的火箭,使用的是喷管内加烧蚀层的方法,烧蚀层中的烧蚀材料会带走火箭产生的高温。

喷管的焊接工艺

对液体火箭发动机再生冷却喷管,既要求其有足够的结构强度、刚度,以承受轴向的推力、内部的液压、强烈的震动;又要求其重量尽可能轻,以提高发动机推重比。同时,喷管的扩张型面精度还应与设计理论型面接近(如最大推力型面),以使燃气以最优的方式膨胀,获得最高的比冲。因此,再生冷却夹层式喷管的制造,一直以来都是液体火箭发动机生产中的难题。

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