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看过来,这款火箭不一般!
是醉蝶吖网2025-03-15 11:05:58【热点】7人已围观
简介对于我国这样的航天大国来说,每年都会有很多枚火箭成功发射,这已经成为我国航天领域的“家常便饭”。然而,在2023年7月12日成功发射的朱雀二号遥二火箭却引起了人们的热议。这到底是为什么呢?朱雀二号遥二
对于我国这样的看过来航天大国来说,每年都会有很多枚火箭成功发射,款火这已经成为我国航天领域的看过来“家常便饭”
。然而,款火在2023年7月12日成功发射的看过来朱雀二号遥二火箭却引起了人们的热议。这到底是款火为什么呢?朱雀二号遥二运载火箭在我国酒泉卫星发射中心发射升空(图片来源:新华社)液氧甲烷火箭
:各国航天的新尝试原来,这是看过来世界上第一款将载荷成功送入预定轨道的液氧甲烷火箭
。研制液氧甲烷火箭的款火国家可不止中国,其他大国也在紧锣密鼓地研制中
。看过来例如,款火今年上半年,看过来美国就有两家公司发射了两款液氧甲烷火箭
,款火分别是看过来人族一号火箭和“星舰”。“人族一号”液氧甲烷运载火箭(图片来源:光明网)只是款火 ,美国这两款火箭的看过来发射都没有获得成功。到这里
,你可能会产生这样的疑问:都已经有液氧煤油和液氧液氢火箭发动机了,为什么现在中美两国都要快马加鞭地研制液氧甲烷火箭发动机呢?如果液氧甲烷发动机这般好,那为什么一开始不去研制?或者数十年前,在研制液氧液氢火箭发动机前 ,为什么不首先研制液氧甲烷发动机 ?液氧煤油与液氧液氢有何优势?第二次世界大战时,德国的V-2火箭,其使用的是液氧乙醇作为推进剂
,乙醇也就是我们常说的酒精。作为燃料,含水的酒精性能显然不行。二战后,各国开始研制新的液体推进剂 。于是
,液氧煤油和液氧液氢这两条路线便诞生了
,这两条路线目前都获得了成功。一种精炼的煤油“RP-1”
,火箭燃料(图片来源 :Maxhaot)之所以一开始选择煤油而不是甲烷,是因为那时的煤油已经很常见,且使用量大。而全球天然气的大规模使用,是最近几十年才有的事。从成本上来说,也必然选择煤油,而不是甲烷
。即使历史重新来过
,科学家们也依然会选择煤油,而不是技术要求更高,且获取成本较大的液氧甲烷。于是
,二战后到现在,液氧煤油和液氧液氢两种路线都得到了充分的发展。探索到两条合适的路线后
,人们也不必再去寻找其他路线了。液氧甲烷:让回收火箭变得更容易既然液氧煤油与液氧液氢有着如此多的优势,人们现在为什么还要上马液氧甲烷路线呢
?因为人类对火箭发动机的要求大幅提高了。之前,科学家们只要保证火箭发动机使用一次就好,成功使用一次后,火箭发动机怎样都可以,反正都是掉在地上或者掉入大海。但现在,人类希望火箭发动机能重复使用10次以上,甚至达到100次。此时,液氧煤油发动机就有点儿不太合适了,因为煤油燃烧时会在火箭发动机内部造成积碳结焦,继而为重复使用带来很大困难。当前,液氧煤油火箭在回收后必须对发动机进行彻底清洗才能继续使用。使用汽车发动机来展示积碳
,当然,火箭发动机积碳不可能这么严重(图片来源 :KINGKAR)液氧甲烷却不同,它是强挥发性燃料。使用后
,这种燃料在火箭发动机上的残留物极为稀少
,这为可回收火箭减轻了很大的后勤维护工作量
。火箭发动机工作时
,燃气温度最大时可超过3300摄氏度,这超过了绝大多数金属材料的熔点。为避免发动机高温受损,需要对火箭发动机进行冷却
。冷却方法多种多样,目前的主流方法是“再生冷却”,就是使用燃料冷却。液氧温度在零下183摄氏度左右,看似超低温,最适合作为冷却剂,然而由于氧的高度活性,它极容易与金属或者组成火箭发动机的其他材料发生反应。所以
,人们一般不使用液氧作为冷却剂,而是使用燃料作为冷却剂。具体来说就是一部分燃料先到发动机喷管周围走一个来回 ,这必然会带走巨量的热量,从而起到了给火箭发动机冷却的效果。“天鹊”80吨液氧甲烷发动机(图片来源:人民网)常温煤油和液态甲烷比起来,必然是后者更好,因为其是零下162摄氏度左右的低温
,冷却效果立马提升3倍以上
。也就是说
,为了让火箭能重复使用,需要对其进行最高效率的冷却,而在冷却上 ,液氧甲烷的效果比液氧煤油要好得多。液氧液氢:为什么不选我 ?通过以上分析
,我们知道了,液氧煤油容易积碳结焦
,而液氧甲烷却不会。但问题又来了 ,液氧液氢也不会积碳结焦呀,为什么不用液氧液氢呢?而且再生冷却时,液氢温度更低,冷却效果岂不是比液态甲烷更好 ?没错
,以上说法都是说得通的
,但是液氢实际上存在着很多难以克服的问题。其中一个问题是:跟液氧甲烷比起来 ,液氢的密度太低了
,结果就是体积太大。另一个问题就是液氢的温度实在是太低了,零下252.8摄氏度,处理这么低的温度,难度太大
,继而成本很高。航天飞机下那个棕色大箱子
,名叫外储箱。里面占据绝大部分体积的是液氢(图片来源:NASA)不仅如此 ,液氧温度只有零下183摄氏度左右,而液氢是零下252.8摄氏度,两者温度相差了大约70摄氏度 。所以,火箭上储存液氧和液氢的两个箱子需要做好隔绝措施,否则液氢可能会把液氧冻成固体。如果使用液氧煤油,也需要做好隔离
,否则液氧也会把煤油冻成固体 。此时 ,就能体现液氧甲烷的优越性了
,因为其跟液氧温度相近,不用担心谁把谁冻成固体的问题。于是,本来是两个分离开来的箱子
,一个装液氧,一个装煤油
。但现在做成一个大箱子即可,只要在这个大箱子的中间多出一块隔板,一边装着液态氧,另一边装着液态甲烷 ,这种结构就叫作“共底储箱”。毫无疑问,共底储箱能有效降低储箱重量,并缩短储箱长度,继而减少火箭重量,增强运载能力。到这里谜底全部揭开,相比于液氧煤油和液氧液氢,液氧甲烷着实优点多多
。随着各个国家对于火箭要求的日益提高
,研制液氧甲烷发动机也逐渐成为了航天科研领域的一大重点 。出品
:科普中国作者:寒木钓萌(科普创作者)监制:中国科普博览
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