问题

火箭具体是如何点火的?

回答
火箭点火,这可不是像按下开关那么简单,它是一系列精密且充满爆发力的物理化学反应的结晶。从你按下按钮的瞬间,到那震天撼地的轰鸣,再到飞向苍穹的壮丽景象,每一个环节都至关重要。

想象一下,你站在发射台附近,空气中弥漫着一股特殊的、混合了燃料和氧化剂的气味,虽然我们闻不到,但它就在那里,静静地等待着那一刻的到来。火箭的点火过程,就像是唤醒一个沉睡的巨兽,需要精确的时机、足够的热量和适宜的环境。

点火的“火种”:点火器

首先,火箭发动机内部的燃烧室里,装着两种绝命的伴侣:燃料和氧化剂。它们被分别储存在巨大的燃料箱和氧化剂箱里,通过复杂的管道系统,在点火指令下,以精确的比例被泵入燃烧室。

但是,它们自己并不会轻易“相爱”。这就需要一个“媒人”——点火器。火箭的点火器种类很多,但最常见的几种,能让你大致了解这个过程:

化学点火器(也叫“主点火器”):这是最经典也是最普遍的一种。它的原理有点像你在点燃鞭炮,只不过规模和复杂度要大得多。在火箭发动机的喷管内,会有一个小小的药管,里面装有特殊的易燃物质,比如氰基乙炔、乙炔和金属粉末的混合物。当点火指令下达,一个小的电火花塞(就像你汽车发动机里的火花塞)会瞬间点燃这个药管里的物质。一旦点燃,它就会迅速燃烧,产生高温的火焰和气体,这些火焰和气体就会直接冲击主燃料和氧化剂的混合物,将它们点燃。这有点像用火柴点燃煤气灶,只不过是瞬间完成,而且威力无穷。
催化剂点火:这种方式相对温和一些,但也非常有效。在燃烧室的特定区域,会铺设一层特殊的催化剂,比如三氧化二铝或铂。当燃料和氧化剂被泵入燃烧室时,它们会与这些催化剂接触。催化剂能够加速燃料和氧化剂的化学反应,降低它们的燃点,使得它们在接触的瞬间就开始燃烧,不需要外部的火源。这有点像某些化学反应,只要加点特定的物质,就能让它迅速发生。
电点火(电阻丝或电弧):有些火箭,特别是使用固体燃料的火箭,会使用电热丝或者产生电弧的点火方式。电热丝在电流的驱动下会瞬间升温到极高,直接点燃固体燃料的推进剂。而电弧点火则是产生高压电火花,直接穿透推进剂,将其点燃。

点火过程的“催化剂”:推进剂

被点燃的不仅仅是点火器本身,更重要的是被点燃的推进剂(也就是燃料和氧化剂的混合物)。

液体火箭发动机:对于液体火箭,燃料(如煤油、液氢)和氧化剂(如液氧、四氧化二氮)被分别泵入燃烧室。点火器产生的火焰会先与一小部分被预先注入或喷射的“引燃剂”接触,引燃剂比主推进剂更容易被点燃,它就像是点燃主火的“小火苗”。一旦引燃剂燃烧,产生的热量和火焰就足以点燃主推进剂。随着主推进剂的稳定燃烧,发动机的推力会逐渐增加,直到达到设计要求。
固体火箭发动机:固体火箭发动机的点火方式更直接。整个推进剂是一个整体,像一个巨大的饼干。点火器(通常是一个小型固体火箭发动机,也称为“点火模块”)会首先被点燃。点火模块会产生大量的高温燃气,这些燃气通过喷口直接作用在固体推进剂的表面,将其点燃。固体推进剂的燃烧是一个表面燃烧的过程,火线会沿着推进剂的表面不断向前推进,直到推进剂全部烧完。

点火的“精确控制”:系统协同

点火并非孤立的事件,它背后是整个火箭系统的精确协作:

1. 预点火检查:在点火指令发出前,会有大量的系统检查,包括燃料和氧化剂的压力、温度,发动机各个阀门的开闭状态,点火器的供电等等。确保一切正常。
2. 推进剂灌注:点火前,燃料和氧化剂已经被精确地注入到火箭的燃料箱和氧化剂箱中。
3. 点火指令下达:当所有条件满足,地面控制中心会发出点火指令。
4. 点火器激活:指令下达后,点火器开始工作,产生点燃主推进剂所需的能量。
5. 推进剂点燃:主推进剂被点燃,开始剧烈燃烧,产生大量的燃气。
6. 推力产生:高温高压的燃气通过喷管高速喷出,根据牛顿第三定律,火箭就会产生向前的推力。
7. 主发动机稳定燃烧:一旦推进剂燃烧稳定,点火器就可以停止工作(如果不是一体式的话),发动机进入持续稳定燃烧状态。

整个过程,从指令下达到稳定燃烧,可能只有短短几秒钟,但这是无数工程人员智慧和汗水的结晶,每一次点火,都是一次对物理定律的精确运用和对未知宇宙的有力挑战。那一声震耳欲聋的轰鸣,不仅仅是推进剂燃烧的声音,更是人类勇气与智慧的呐喊。

网友意见

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有很多种点火方式

对于自燃推进剂(老长征)来说,点火的方法是开启阀门让燃料流入涡轮泵,燃料和氧化剂相遇后自己就会点燃

对于液氧煤油发动机来说,非常有效的方式就是TEA-TEB(三乙基硼-三乙基铝),这种有机金属化合物一旦遇到氧气就会自燃,把这种物质装在发动机管路里,点火的时候敲碎就行。美国的Merlin和我国的YF-100,毛子的RD-170/180都是这样点火的,暂停可以发现点火瞬间发动机发绿光,这就是含有硼的点火剂的燃烧(三乙基硼燃烧发绿光)

另外,对于俄罗斯的联盟号这种比较早期而且便宜皮实耐艹的火箭发动机来说,点火方法是用木棍顶着一团包着电热丝的火药插进发动机喷管里边的……每次都会献祭木棍……

另外直接用一个火药棒来点火也是可行的,YF-115就是这么干的。

液氢液氧发动机和液氧甲烷发动机常用电火花点火,就像你家的燃气灶一样。当发动机够大的时候,会把火花塞和部分喷注器喷口做成一个“火炬”,先点燃“火炬”,再用“火炬”点燃其他的燃料。

固体燃料的点燃一般是用一个电打火的火药棒,装在药柱的顶端,点燃时火药棒燃烧产生的火焰会通过整个药柱的内表面,均匀地点燃整个药柱。

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