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逃逸塔:载人火箭的生命通道

2017-09-14 16:45  来源: 科普中国-科学原理一点通

在火箭发射时一旦发生意外情况,逃逸系统主发动机将点火工作,在火箭发射后120秒内(即高度在0~39千米),将产生高达70余吨的推力,把飞船返回舱“拽”到1500米开外,帮助航天员逃生。

 

中国长征家族系列运载火箭示意图

 

载人火箭顶部为什么有一个尖尖的塔

 

发射载人飞船与发射卫星的火箭不同,运载火箭顶端都有像避雷针的尖顶——逃逸塔,也是保障航天员安全的“生命之塔”。运载火箭由箭体结构、飞行测量系统、推进系统、附加系统、控制系统和安全系统组成的。载人火箭为了安全起见,要增加一个独具的逃逸系统,它是由可分离的头部整流罩和逃逸塔组成的逃逸飞行器。以中国的“长征二号”火箭为例,1台分离发动机、由1台逃逸主发动机、2台高空分离发动机、4台偏航俯仰发动机和4台高空逃逸发动机组成的逃逸系统动力装置。逃逸主发动机负责提供逃逸的动力,整流罩里有1个下支撑机构和1个上支撑机构,外面有4个像支架一样的栅格翼。这些发动机的安全可靠性指标要求达到99.99%。需要逃逸的时候,“栅格翼”会按照指令展开,下支撑结构和上支撑结构紧紧抓住飞船的返回舱,实施逃逸。

一旦发生意外情况,逃逸系统主发动机将点火工作,在火箭发射后120秒内(即高度在0~39千米),将产生高达70余吨的推力,把飞船返回舱“拽”到1500米开外,帮助航天员逃生,只在3秒内完成。火箭如果飞行顺利,会在飞行120秒时抛掉逃逸塔。如果火箭在发射后120~200秒(即高度在39~110千米)再遇不测,剩下的4台高空逃逸发动机会瞬间完成点火工作,带航天员脱离险境。

 

逃逸塔分离示意图

 

火箭为什么不怕热

 

火箭要把航天器送入太空,必须以几千米每秒的高速穿越大气层。火苗外壳在这么高的速度下,与大气摩擦将会导致高温,火箭头部的温度会高达上千摄氏度。

火箭能承受如此高的温度得益于高科技特种涂料。火箭穿上了一层薄而坚韧的防护衣。这些材料传热很快,是用钛合金、铍合金、铝合金和玻璃钢等材料做成的火箭外壳。如果火箭外壳直接接触高温,火箭外壳的强度会大大削弱。高温同时会很快传到火箭内部,各种控制仪器和电子元件会烧坏。在耐高温的有机合成树脂中,科学家经过试验,发明了一种既耐高温又有良好隔热性能的耐烧蚀隔热涂料。添加一些无机填料:云母粉、二氧化硅、碳硼纤维等;升华物质:氧化硒、硫化汞等。把这种涂料喷涂在火箭的外壳上,就形成了保护层。涂层中的升华物质当火箭在大气中高速飞行时,会因受热而挥发。耐高温有机树脂会形成微孔的碳化层,部分热量会被升华物质在挥发过程中带走,留下就像一道隔热的樊篱的“碳化层”,把火箭外壳与外界大部分热量隔开。依据火箭飞行时间、涂料烧蚀速度和涂层的隔热效果设计,涂层有一定的厚度,表面的碳化层如果被气流冲走,下面的碳化层还能“接班”,一直能使用到火箭完成飞行任务为止。

除了用于火箭和飞船等航天器,这种耐烧蚀隔热涂料,还可用在玻璃钢火箭发射筒的隔热、飞机发动机的隔热和抗激光穿透等方面。

 

火箭为什么会有这么大的“力气”

 

以“长征二号”火箭点火时为例,每台发动机的推力是75吨,加在一起600吨,由一级火箭和4个助推器的8台煤油液氧YF-100型发动机同时工作。重达480吨的火箭被这么强大的推力抬起推向太空。

火箭的质量比与火箭发动机的喷气速度决定了火箭的飞行速度。火箭飞行的速度越快,发动机的喷气速度越大;火箭飞行能达到的速度就越大,火箭的质量比越大。其中,由发动机的设计水平和推进剂的比冲,决定火箭发动机的喷气速度。发动机所获得的能量效率越高,设计水平越高,火箭发动机的喷气速度越大。

当发动机“点燃”第一级火箭后,火箭就开始脱离发射架上升。火箭几秒后完全通过发射塔。火箭一直保持垂直飞行,在离开地面后的几秒内。发动机喷管的万向节为了保证按合适的方位飞行,按预定程序旋转,产生横向推力,使火箭稍微倾斜从垂直角度,基本还是垂直向上飞行的。因为整个火箭的质量大得惊人,所以,火箭一开始的加速过程不十分明显。重力使火箭在第一级推进剂烧完时,缓慢地从微倾斜角度转入水平方向的飞行。这一过程被称为“重力转弯”,火箭以提高所需的速度,从以上升为主转向向前推进。爆炸螺栓使大箭的其余部分分离,在第一级火箭的推进剂烧完后。第二级火箭开始点火,火箭已飞行2~3钟,继续加速飞行。

即使第二级火箭产生的推力不如第一级大,火箭加速也要比先前快很多。火箭已飞出稠密大气层,在高度达到150~200千米/时,按预定程序抛掉整流罩,进一步减轻火箭发动机加速的质量负担。在火箭快接近轨道速度时燃烧完毕,爆炸螺栓使第二级火箭与有效载荷分离。有效载荷上的推力器将把它送人最终的轨道。第二级火箭落入大气层,靠空气摩擦燃烧,变成灰烬。

 

“长征二号”点火发射

 

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作者: 科学原理一点通   [责任编辑: 吕芮光]