天富测速咨询 · 2022年1月14日 0

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?

网友回答:

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图

说的没错,火箭发射时喷出的火焰温度接近3000℃,世界上并没有任何一种金属物质能够长时间承受这样的高温长时间加热,那么问题就来了:火箭为什么没有把自己熔化掉呢?

答案是非金属耐高温材料的使用以及冷却设计。欢迎关注兵器知识谱,今天我们来聊一聊关于火箭耐高温的话题。

火箭在点火发射以后,喷口向外喷射高温火焰获得推力,而火焰就是通过火箭发动机喷口剧烈燃烧燃料产生的,这个火焰的温度可以达到2500℃~3000℃。

所以火箭发动机喷口需要一种耐高温材料来制造以及高效的散热设计来确保自己不被高温火焰熔化。

不同燃料的火箭需要不同的材料和设计来制造火箭发动机喷口,即液体火箭发动机和固体火箭发动机。

液体火箭发动机喷口的制造材料为钛锆钼合金,它能承受1800℃高温的长时间烧灼,是目前世界上大多数液体火箭发动机喷口的主要制造材料。

下图为正在焊接火箭发动机喷口的大国工匠高凤林,由于双层喷口的耐高温合金材料非常薄,任何失误都有可能导致散热设计失效,因此必须由技艺精湛的技工手工焊接。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图1

很显然1800℃的抗高温性能并不足以承受2500℃火焰的长时间烧灼,因此在设计火箭发动机喷口时,采用了冷却设计。

也就是将火箭发动机喷口设计成双层,外层约1.8~2mm厚,内层约3mm,当火箭发动机点火时,低温液态氧和煤油或者其它燃料通过发动机输送管输送到喷口成为混合体时,低温液态燃料就顺便对喷口进行冷却。

该设计的冷却原理是通过低温液态燃料流经双层喷口的内部空腔,以高速流动的形式将喷口热量带走,从而达到冷却效果。

液态冷却设计的好处在于既能够将火箭发动机喷口的温度控制在1600℃以下,又能在冷却过程中预热氧-燃料低温混合物,使燃烧更可靠。

该设计灵感源自于气割喷嘴,它在点火工作时切割火焰温度超过了1500℃,气割喷嘴不被烧熔的原因正是喷嘴的双层设计——当氧-乙炔低温混合气体高速通过喷嘴时,高温也顺便被带走,使喷嘴不会造成温度叠加。

固体燃料火箭发动机就不同了,由于燃料是固态的,无法对火箭发动机喷嘴进行冷却,因此固体燃料火箭发动机喷口只能采用非金属耐高温材料制造——石墨。

下图为测试中的国产固体燃料火箭发动机,由于采用石墨环喷口设计,因此固体燃料火箭/导弹没有液体燃料火箭发动机那样的漏斗型喷口。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图2

石墨的特点是耐高温性能非常好,它的熔点为3652℃,固体燃料火箭发动机安装了了一个环形石墨喷口,即使固体燃料中加入了奥克托今这样的烈性炸药辅助燃料,火焰温度超过了3000℃,也不会熔化喷口。

那么问题就来了:既然石墨环喷口耐高温性能远远超过了双层合金喷口,为什么大型火箭发动机还是选择了昂贵且复杂的双层合金喷口,而非石墨环喷口呢?

答案是双层合金喷口更可靠。石墨环喷口固然是更耐高温的,但是它有一个几乎无解的缺点,那就是易氧化。

石墨在常温下的化学性质非常稳定,但是当温度超过700℃时,它就会在空气中被氧化,并在氧化过程中氧化层会发生剥离。

所以石墨环喷口只适用于工作时间短的小型火箭发动机,比如说导弹(不包括巡航导弹)、小型运载火箭,而那些动辄工作几百秒的大型火箭就只能使用昂贵且复杂的双层合金喷口了。

下图为垂直着陆中的“猎鹰9号”可重复利用火箭芯一级,像这样的大型火箭是无法使用固体燃料发动机的,因为石墨环喷口会在工作中不断被氧化消耗掉,长时间工作不可靠。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图3

网友回答:

这个问题非专业人士回答不了。制造火箭的航天科学家门肯定是早就设计好了,有万全之策,不让火箭融化掉的,如果火箭融化了,怎么送卫星,送飞船,送嫦五进入太空啊,这种发射每次都花大量的人力物力精力,可不是闹着玩的。如果发射火箭融化了,那也是世界级的笑话了。岂不被人贻笑大方,我们的国家,我们的航天科学家是不会做这种事的。这事不用题主操心了,科学家们都设计的万无一失了。

网友回答:

事实上火箭喷射的温度确实很高,最高可达到3000℃,足以熔化钢铁。这样的热量,火箭本身材质是很难抵挡的,所以需要采取一些降温隔热的手段。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图4

降温

在发射前,发射塔底部数十米深的导流槽里都会灌满清水,我们看到火箭发射时下面冒着的白烟,其实就是大量的水被蒸发变成了水蒸气。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图5

水除了可以蒸发带走大量的热量外,还有其它的作用,比如说可以防止火焰四处喷溅,甚至还有专门为火焰设计的引火通道,能把火焰引到别处。

大量的水分也可以稀释火箭喷射出来的毒气,我国火箭用的并不是固体燃料,而是选择的液态燃料,这种燃料的优点是推力更大,火箭的射程也会更远,而且成本很低。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图6

但缺点也很明显,腐蚀性特别高,只能装在特殊制造的容器中,但这种容器强度不高,不能用做火箭的燃料箱,所以一般只有在发射时才会给火箭添加燃料。

隔热

经过大量的水分降温后,火焰的温度还有近2000℃,所以还需要涂上一层能够起到散热作用的特殊涂料。

这种涂料一般是在有机树脂里添加一些无机填料和升华物质合成的,这样的涂料既能耐高温又有隔热的作用。

当遇到高温时,涂料的升华物质会汽化,带走部分热量,而耐高温的有机树脂则形成了碳化层附着在火箭外壳上,能有效的隔绝外界的温度。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图7

不过在飞行时,高速的气流有可能会冲走这些碳化层,所以涂料的厚度需要经过精确计算,这样即使一层被冲走,底下还会有新的,不用担心高温的伤害。

经过这两道手续,基本可以保证温度上的万无一失,不会在发射时就直接被高温烤化。

但火箭并不只有温度这个难关,所以对于发射还是不能掉以轻心。

网友回答:

你好,很高兴回答这个问题。

一般来说,防高温材料最多也很难抵挡几千℃的温度而不被液化。

那么既然如此,火箭喷发出的温度能达到三千℃左右,为什么火箭的喷气口不会被融化和液化呢?

其实这个问题不难回答,因为这是火的分布特性决定的。

平时我们烧的火是竖着烧的,因此,一般火的温度会呈现出不同的区间,其温度特性也不一样。

基本来说,火的外焰温度是最高的,颜色呈现出橙黄色到黄色的的颜色。

火的内焰温度是最低的,基本呈现出蓝色的火焰。

有了这个物理基本知识,我们就可以解释关于为什么火箭的喷气口不会被几千℃的高温所液化。

因为火箭是倒过来喷火焰的,但由于火箭的喷火速度极快,因此,其高温还没来得及被火焰的温度所升上去,就被其他喷射的物质和燃烧的气体所排开。

因此,火箭的尾部火焰温度分布依然为内焰温度最低,外焰温度最高,但由于火箭是倒置的,所以其温度最高的地方在于喷射火焰的尾部呈现出橙黄色到黄色的位置。而这个位置已经离火箭的尾部有一段距离了。因此,火箭尾部为内焰且外焰距离较远,所以火箭尾部的温度已经不是很高了。

而接近尾部内部材料的火焰口位置,一般是蓝色火焰,因此,其温度为火焰当中较低的部分,所以在喷射口的位置,其实际温度为几百℃到一千多℃左右,因此,这样的温度不足以使国家尾部的材料液化,所以,也就保证了火箭发射的安全性问题。

以上回复,希望对你了解火箭尾部火焰的温度分布和为什么火箭尾部不会被高温所液化的问题,有所帮助。

网友回答:

菜刀再快削不了自己的抦,氧切气割火焰一千五百多度溶化不了红铜喷咀,世界真奇妙

网友回答:

火箭发射后喷出的火焰高达三干多度,为什么火箭本身不会熔掉?

因为火箭发箭后,尾部有抗氧化耐高温材料(涂料),火箭尾焰最高温度在3300度,集中在它的高温区在火箭以外的中焰发白区,火箭尾部内的喷管尾焰温度已不足以熔化特制耐高温材料。火箭尾焰在在大气中形成强大的反推力,它内部的燃烧剂和助氧剂按设计程序科学燃烧,燃烧室初始温度并不是3300度……,剧烈燃烧火焰在箭体以外。所以,火箭本体不会烧毁。

网友回答:

这是因为火箭表面有一层薄而坚韧的“防护衣”。

火箭的外壳是用钛合金、铍合金、铝合金和玻璃钢等材料做成的,这些材料传热很快,如果火箭外壳直接接触高温,那么火箭外壳的强度就会大大削弱。同时,高温很快会传到火箭内部,烧坏各种控制仪器和电子元件。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图8

为了让火箭能够顺利地穿越大气层,科学家想了很多种办法,做了很多次实验。最终他们发现,在耐高温的有机合成树脂中,添加一些无机填料和升华物质就会形成一种耐烧蚀隔热涂料把这种涂料喷涂在火箭的外壳上,就会形成一个保护层。当火箭在大气中高速飞行时,涂料中的升华物质就会因为受热而带走部分热量,而耐高温的有机树脂则会形成微孔的碳化层,就像一道隔热的屏障,把外界大部分热量与火箭外壳隔开。这样,即便是火箭的速度再快,喷出的火焰温度再高,也不会把自己融化掉!

当然了,除了穿在身上的隔热“防护层”,火箭内部也有许多降温的方法。就拿长征五号来说吧,它里面装有液氢和液氧两种物质,这两种物质的温度都很低,能有效帮助火箭降温,免受高温的困扰。

火箭发射时喷出的火焰高达三千多度,为何它没有把自己融化掉?插图9

网友回答:

有间接冷却,我们常用气焊,高温3千度,因燃料与氧气,是氧化反应,喷射气体,在反应前也是冷却液,因喷射一定距离在有光和热反应。隔离,冷却,因是冷气体,还有愊射耐高温材料,也应是关键,哈哈哈,本人沒见得气焊枪头发红,软化,这是微热,本人不是专业,这是设想

网友回答:

看发动机。发动机抗热方式主要有三种。
①被动抗热,通过在接触表面堆灼烧蒸发物质降温。如同烧开水,开水滚后继续烧,温度不变。而开水壶温度也一样。如同用火给装着水的纸容器加热,容器不会烧一样。但因为技术和效率问题,基本只在固体发动机上使用。
②被动加热,如果火箭燃料非常冷,可以通过管道给发动机降温,这种方式曾经很流行,现在则主要用在大功率氢氧发动机上。因为造价高,随着材料技术的发展渐渐被淘汰。不过未来有可能会重新普及,看火箭发展吧。毕竟电推难以让火箭摆脱地球引力,那就很可能通过非化学方式直接给推进剂加热,那么主动冷却技术还是很重要的。
③耐热发动机。SpaceX最新的甲烷发动机及前苏联造的煤油发动机中的王者R-170都是这种,跟土星五号那发动机形成鲜明对比。这种发动机熔点非常高,而且本身较轻。只要没发生火箭革命,就是绝对主流。

网友回答:

使用了特殊耐高温材料。