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长征五号火箭发射空间站,助推器却被烤焦掉漆,这是怎么了?

生活高高手

2022-06-07 08:50四川

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关注长征五号B运载火箭发射中国空间站“天和”核心舱电视直播的朋友也许注意到这样一个细节:在火箭飞行的过程中,助推器表面的漆皮先是脱落,接着起泡变黄像是被高温烤化了的样子,这不由得让人捏了一把汗,担心它突然爆炸。

有朋友问,长征五号不是传说中的“冰箭”么,它里边装的液氧温度是-183℃,液氢更是低至-253℃,它的表面应该是冰凉的,怎么能被烤焦,会不会是出了什么问题?

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第154秒,助推器表面被“烤焦”

的确,这一切变化都是在几十秒的时间里发生。在火箭发射后第76秒时,三、四号助推器表面还是光洁如新,接下来的100多秒中,助推器像是被火炙烤过一般,漆皮一片片掉落,也一点点起泡发黄。直到第176秒助推器成功分离,那颗吊在嗓子眼的心终于又放回到肚里。

第76秒,火箭表面光洁如新

烤焦火箭的热能是从哪里来的呢?

前边说了,长征五号有“冰箭”之称,它的芯一级由2台YF-77氢氧发动机推进,发动机的上方分别是液氢和液氧储存罐;在芯级的外面对称固定了四枚助推火箭,分别由2台YF-100型液氧/煤油发动机推进,助推火箭内部上方是液氧储罐,下方是煤油储罐。液氧的温度很低,它不可能热到烤焦助推器的外壳。

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长征五号B内部结构示意

实际上在助推器顶端“斜头锥”里边是一套连接机构,它与火箭芯一级连接并将助推力传递给火箭。由于受到高达300多吨的“偏置集中力”,设计人员花了很大气力优化这个位置的受力结构,没有在这里安装可能发热的机电设备。

也就是说,烤焦火箭的热源不在助推器里边,而是火箭在飞行过程中与空气挤压摩擦产生。

寒冷的冬天,我们经常会搓手,两只手摩擦会产生热,这个道理幼儿园的小朋友都了解。

搓搓手会暖和

热的本质其实是粒子运动。分子或者原子加速运动时会向外辐射更多能量,这就是热。一枚静止的火箭,撞击它表面的空气分子无论是数量还是速度都不大,随着火箭运动的速度越来越快,它的一些部位会推挤并压缩前方空气,空气分子更快更密集地撞击使火箭表面温度升高。这在物理上被称为空气动力学加热,简称气动加热。

空气是流体,气动加热机制非常复杂,它跟物体运动的速度、物体表面形状及粗糙度、空气密度以及环境温度等等一大堆条件都有关系,大致上它遵循下面的曲线:

运动速度与表面温度变化曲线

你很难用一个公式简单推算出表面温度到底是多少,比如说有人拿美国SR-71“黑鸟”高空高速侦察机的图片,说当它以三倍音速飞行时,机身表面的温度可以高达300℃。

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据说“黑鸟”的表面温度达300℃

“黑鸟”表面到底有多少度,除非你在它机身蒙皮下方安装温度传感器,否则不会知道准确数值,因为这个数值随着飞行高度、速度以及飞行姿态的变化时刻在变。许多时候一个设备的气动加热曲线是“吹”出来的,你得把它放在超音速风洞里吹,同时测量它到底有多热。

欧洲航天局在设计阿里安-5型(阿丽亚娜-5)火箭时通过大量风洞实验,得出火箭在0.9马赫飞行时表面空气流场、压力与温度的关系:

阿丽亚娜-5气动加热实验

阿丽亚娜-5火箭与长征五号火箭助推器气动外形比较像,不同之处在于前者只有两枚助推火箭而后者有四枚,在高速飞行的过程中,二者空气流场在助推器头锥处面临的情况相似:这个位置会因为挤压空气产生压缩波,进而发生气动加热现象。

飞行器在跨音速飞行时,会因为压缩波的形成与压力释放而产生“音爆云”,这其实是潮湿空气中水蒸气升温—凝结—升华的过程,它恰巧发生在飞行器速度达到音速的前后。

航天飞机跨音速时产生“音爆云”

从直播画面看,长征五号B运载火箭在飞行的第60-70秒之间跨越了音速,“音爆云”消失,这时我们看到三号助推器头锥表面掉了一小块漆皮,这很可能是被强大的空气摩擦力剥离的。

长征五号第70秒超过音速

随着火箭飞行速度不断加快,助推器头锥处的空气压力急剧上升,气动加热造成助推火箭表面温度飙升,空气挤压和摩擦产生800℃左右的高温热气流不仅大块剥离油漆,还将助推器柱段的漆皮烤到起泡变色,让人误以为火箭很快就将发生爆炸事故。下面这张加速了20倍的动画显示出火箭从超音速开始到助推器分离前表面油漆的变化情况。

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超音速后100秒助推器表面漆皮变化

有朋友说,为什么要给火箭涂油漆,这样会增加许多额外的重量,像马斯克的星舰飞船那样搞成不锈钢外壳不香吗?大多数火箭都漆成白色并不只是为了美观,一个更主要的原因是白色可以反射绝大多数光谱的光,在发射前起到隔热作用,这对于低温液体燃料火箭很重要。马斯克那个是做试验,省钱放在第一位。

长征五号B虽说是一型新火箭,但以中国科学家的严谨态度,在设计过程中肯定做了大量风洞实验,助推器因为气动加热导致表面灼烧的情况应该早在掌握之中,在制造火箭时也充分考虑了应对之策。只不过对于吃瓜群众来说,眼瞧着“外焦里嫩”的大火箭飞天,心情紧张也是可以理解的,毕竟长征五号托举的是咱中国空间站,是中华民族的骄傲呀!

长征五号B成功发射

#中国空间站核心舱“天和”发射成功#

#中国航天史上首次4天3次发射#

这是文章尾部

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