火箭点火,真有用木棍点的!一般怎么点?拢共分几步?

火箭如何点火
【日本H3失败原因】
日本H3失败,原因是二级火箭没点火!日本H3火箭失败,就是因为二级没点火!H3的一二级火箭分离后,箭体向二级发动机发送了点火信号,二级发动机也确实收到了信号。但是,重点来了,发送点火信号前后,电源系统出现异常,二级发动机就没能成功点火。现在,还在调查究竟为什么电源系统异常。反正别整出来啥心灵控制的灵异力量就成。
【固体燃料发动机点火】
点火,就是把燃料点着。不点火,就像鞭炮不点捻,飞不起来。点不好还会炸。只有点火并且点好了,哐哐的烧起来,才能把火箭怼上天。
点火方式,咱们按固体燃料、液体燃料分开说。
先说固推的,看这个固体火箭发动机结构图,大家容易理解。简单说,这就是个空心圆柱体。
紧贴壳体外边一圈,是推进剂药柱,中间是空的,上边是点火装置。点火装置一点火,喷出来的燃烧物,通过中间的燃气通道,把两侧的推进剂药柱给点着了。看着简单,实际复杂。这其中,最起码包含了两个小问题。一、点火装置是什么原理?二、为什么要把药柱做成中空的,而不是从一头点起?
点火装置。一般来说是在顶端。可以用电来点着一块固体燃料,制造出来的高热高速气体吹出来。装药量大的,会用小型的点火发动机。这张图,就是固体火箭发动机小火箭式点火装置的典型结构,由绝热顶盖、点火燃烧室、点火药盒、隔热环及非金属密封圈等组成。点火之后,燃烧产物高速喷出,迅速到达药柱整个表面。
那为什么要把药柱做成中空的呢?大家都知道,燃烧面积越大,烧的东西就越多,产生推力也越大。如果是个实心的药柱,从一头开始烧,显然比做成中空的,从中间烧,面积要小,那中空肯定更好了。从一头烧的叫端燃、中间烧的叫侧燃。还有端侧燃。
那新的问题又来了,中空是个圆柱形,是不是就好了呢?不是!火箭起飞的时候,重量最大,密度最大,推力应该也最大才是。可是,如果把中空做成圆柱形的,你会发现,反而是刚开始的时候,烧的侧面积小,越烧侧面积越大,因为圆的直径在扩,对吧?别急,有办法,把中空改个形状。一般来说,是这样的好像小星星的,有几个角,当然未必是五角星这样的,比如航天飞机的固体助推就是11个角。药柱也不是从上到下,都是一样的形状,要根据任务实际情况来。还是以航天飞机的固体助推为例,它分成四段,一段是11个角,其它的像一个圆锥,中空是一头大一头小。
那药柱的形状怎么做出来呢?央视介绍过,把固体药柱形状修好,其实很难的,有个岗位被称为火药雕刻师,就是干这个的。操作不仅不可逆,药柱表面的误差还不能超过0.5毫米,并且还很危险!向这些雕刻师致敬!
【自燃推进剂组合】
液体燃料中,有一种组合,那是干柴烈火,一碰就着。就是常说的“毒发”,比如咱们之前介绍过的毒王俄罗斯的质子-M火箭。毒王用的燃料是偏二甲肼、四氧化二氮。咱们国家也有,大家熟悉的长二F也是。偏二甲肼和四氧化二氮,碰到一起,就好比青春懵懂的少男少女相遇,一碰就着,还反应强烈。既然人家一见钟情、能自燃,也就不用别人给你扇风点火,自己就火了。
【俄罗斯木棍点火法】
有能自燃的,当然还有不能自燃的,比如液氧煤油、液氧液氢、液氧甲烷。那就得借助外力了,要不然扔根火柴进去,然后赶紧跑!其实,还真有类似的,用液氧煤油的俄罗斯联盟号,彰显战斗民族个性,直接用木棍子戳进燃烧室点。就是这个东西,而且是32根,因为喷口实在太多了。四个助推器,用4台RD-107发动机,每个上边有4个主喷口,2个小喷口,这就24个了。芯级,一台RD-108发动机,4个主喷口,4个小喷口。合起来,一共32个。
当然,这棍子,也不是路边捡一个就成,选的都是上好的白桦木,做成倒T字形,叫做烟火点火装置。
最早是上世纪50年代,为了点燃世界上第一枚洲际弹道导弹R-7发明的。联盟脱胎自R-7,点火方式也就被继承了。棍子头上,有一对火药,火药中间连着一根弹簧夹着的黄铜线。同时,拉出来一根电线,进入到控制网络。
点火的时候,两头一对火药被点着,火焰会烧断黄铜线,这样电线的电路也就断了。控制网络就会收到断电的信号,当确认32个都断电了。那就打开推进剂阀门,推进剂出来,呼呼就烧起来了。
联盟火箭70多年,一直用这方法搞,简单、粗暴、有效、可靠,随便你哐哐造。不过,2016年3月有过一次状况,当时32根棍子里灭了一根,所以发射中止。但这问题处理起来也简单,换个木棍子,第二天就重新发了。
【化学点火(TEA-TEB)】
那是不是说,液氧煤油都得用火棍方式呢?当然不是,战斗民族的战斗性不是谁都能有的。还有化学点火的方式。
有些金属有机化合物,比如三乙基铝、二乙基锌、三乙基硼,在空气当中就能自燃,那要是遇见了液氧就更不用说了。
化学点火通常会采用15%三乙基铝+85%三乙基硼的(TEA-TEB)秘制配方。这个配方是储存在点火导管里的,点火的时候,他俩进入燃烧室,碰到液氧,自燃烧起来了。那随后进入到燃烧室的液氧、煤油就燃起熊熊大火!美国土星5的F1发动机、苏联的RD170发动机,都用这种方法。猎鹰9梅林1D发动机,用的也是这个方法。但是猎鹰9要回收,发动机得多次启停,那就不能一次性的把三乙基铝和三乙基硼全放出来,加了个阀门,就可以实现多次启动了。
前段时间,SpaceX的Crew6任务,临发射前2分多钟中止,就是这个点火系统出问题了,一个过滤器堵塞了,换了也就好了。
【火药式、火炬式点火器】
说完液氧煤油,还有液氧液氢,这俩也不能自燃,所以也得有点火器,主要是火药点火器和火炬式电点火器两类。
火药点火,是利用电爆管,就是电流通过电阻丝引燃火药,点燃低燃速的固体装药,进而实现主推力室点火。
火炬式电点火器,相当于一个小型燃烧装置。一般是由推进剂供应系统、点火室、火花塞点火系统以及喷管或者燃气导管组成。一点儿氢氧放进去,火花塞点火,产生稳定的燃气流出去,点燃主燃烧室的推进剂。美国的RL-10、J-2发动机,日本的LE-5A、LE-5B、LE-7 用的都是这个。
火炬式电点火器能量高、而且可以重复使用,工作时间好调节、使用维护也方便。所以,不光是液氢液氧,同时也是可重复使用的液氧甲烷发动机理想的点火方式。
这个就是一种液氧甲烷的火炬式点火器,氧喷嘴和甲烷喷嘴同轴对撞,火花塞端面在两个喷嘴的上方,在燃烧室内点燃,再喷出去点燃推进剂。
【气动谐振、爆震波、激光点火】
除了刚才说的这些主要的点火方式之外,还有其它几种,很简单的说下。
气动谐振点火。在特定的气动谐振条件下,将压缩气体的能量不可逆地转化为热能,形成高温高能的点火源,点燃推进剂。具备可防静电干扰、 可靠性高、 可重复多次使用、 重量轻等优点。
爆震波点火。把低压推进剂气体,送到预点火室,然后在小能量电火花或其他能量的激励下,产生爆震波,爆震波沿着管路迅速到达点火位置,点燃主推进剂。爆震波点火,简单、可靠、使用方便,爆震波温度高,可以达到3000K以上。
此外还有激光点火,原理就是用激光去点火。