火箭发射释放的巨大能量如何排走?多亏了这种材料

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  出品 | 网易新闻

  作者 | 鸿鹄,科技爱好者

  水泥是常见的建筑材料,修桥修路盖大楼都离不开它,不过可能很多人不知道,水泥在航天航空领域也同样承担着重要的作用。

  远程导弹、人造卫星以及宇宙飞船等在发射时会以排气的形式释放大量能量,这种高温高速气流必须及时、科学地排走才能保证火箭发动机正常工作,这就需要用耐高温的材料来制造导流槽。这时,水泥就大显身手了。

  

  (一)火箭导流槽的设计有什么讲究?

  在运载火箭的发射塔下,通常会设置一个很大的水池子,其左右两端就是粗大的导流槽。每次火箭发射之前,要在这个水池里面注水,但不淹没导流槽,火箭点火发射后,发动机的火焰向下喷入水池,火焰伴随的巨大热量瞬间将水变成水蒸气。

  如图示给出了导流槽导排火箭发动机喷出的燃气的原理图,喷管喷出的高温燃气,竖直向下进入到导流槽中,将热量传递给导流槽中的水,温度下降的同时会被导流槽上的棱(导流器,图中呈倒V型)分到两边,分开后的气流按照导流槽的设计通道从两个离火箭发射塔架较远的口倒出去。

  

  (导流槽导排燃气原理图)

  同时,导流槽的壁上还会设有必要的喷水设施,该设施又称为消防环管,以天宫二号发射塔架所在的酒泉卫星发射中心的导流槽为例,围绕其导流槽共有401个消防环管,这些水管会在火箭点火前4秒开始喷水,通过它一方面能给火箭尾焰降温,减小燃气流对导流面的冲刷;另一方面水的汽化可吸收部分声能,降低燃气流的冲击噪声。

  

  (火箭导流槽单边实体图,和围绕导流槽一圈的消防环管)

  中国新一代运载火箭的发射塔上,还会设有一个巨型水箱,水箱中的水会在火箭飞到5米高以后,向箭体尾部火焰中心喷出,通过“大流量喷水降温降噪系统”技术,来进一步保证火箭的安全起飞和导流槽的正常工作。

  考虑到火箭起飞的重量不同、所使用的发动机种类不同,从火箭发动机喷管出口出来的燃气流速和温度就会有所差距。为了合理的在不同发射任务下都能顺畅地将燃气导排出去,导流槽和导流器的设计研发,会采用计算流体动力学方法来确定它们所要承受的最大压力和最高温度的区域,同时要求导流器不会使尾焰回流。

  导流槽一经投入使用就需要长期接受发射任务的考验,对于需要承受较大压力的关键性部位,要先将黏结锚固件间隔地钻定到墙内,以托住用于加固耐火砖系统,同时整个导流槽暴露在高温环境中的部位要使用耐火材料系统进行保护,它必须要有足够的抗冲刷、耐烧蚀、耐腐蚀能力,才能保证长期的使用和尽量少的维护。

  

  (发射塔架的地下导流槽零距离升级改造工程示意图)

  (二)高温特种水泥造的导流槽有什么特点?

  火箭发射基地导流槽选用什么样的材料,会因为设计和使用需求、以及各国标准的不同而有多种方案,具体来说,好的导流槽材料必须同时满足下面五个要求:

  1、在高温以及高速气流冲刷下仍然保持较低的烧蚀率;

  2、要有很高的热震稳定性(温度骤变时,结构不破坏),不产生危害性的崩裂和飞溅;

  3、非使用情况下具有良好的大气稳定性和优良的耐久性;

  4、使用情况下能耐受火箭推进剂腐蚀;

  5、必须要具备多次使用的能力。

  早期,前苏联的拜科努尔发射场和美国的爱德华空军基地的推力试验区采用的是水冷却钢板的大型导流槽设计方案,这种方案需要在间隔5-10公里外开凿一系列的深水井,提供水源供发射台冷却,施工工程任务量大,而且冷却后的废水还需要进行水处理,容易造成一定的环境污染。

  中国发射第一颗人造地球卫星时的导流槽,就是采用了这种水冷却的钢板设计,发射一次后已全部损坏。

  后来,具有低烧蚀率的高温特种水泥的替代方案得到了大家的青睐,美国肯尼迪火箭发射中心的39号靶场,其导流槽就采用水冷却耐火混凝土结构,不过处于冲击部位的导流器却为钢质加表面覆盖耐火混凝土,仍然需要有独立的供水冷却系统,每次用后就需要修理。

  中国在建设酒泉基地时,遇到了地下水位浅等问题,原设计采用的喷水冷却式导流槽需要深挖,但因来不及抽水而无法施工,而后水冷式导流槽的设计改为耐火混凝土方案。

  该方案采用中国建筑材料科学研究院专为火箭发射导流槽研制的高温特种铝酸钙水泥CA-65(结合剂)和低烧蚀率的粉碎的高铝砖(骨料)耐火混凝土配方。

  

  (使用高温特种水泥的导流槽烧蚀率非常低)

  相比于水冷却的钢板方案,中国自行研发的低烧蚀率耐火混凝土导流槽,大大简化了施工工程,导流槽的成本仅为当时美苏的1/10。

  同时,基于高温特种水泥打造的耐火混凝土导流槽经久耐用,使用和维护费用低,酒泉基地的导流槽自建成以后,完成了数十次发射任务,从未进行修补,其烧蚀率统计值仅为0.06~0.09mm/s(肯尼迪火箭发射中心所用导流器上的耐火混凝土烧蚀率约11mm/s)。

  此外,这种导流槽也没有水系统的维护问题。

  

  (搭载着中国首颗探月卫星嫦娥一号的长征三号甲运载火箭在西昌卫星发射中心三号塔架点火发射)

  (三)高温特种水泥耐火温度高达1580℃,应用多多

  耐火混凝土配方之所以能有优良的耐烧蚀性,还能承受高温高速气流的冲刷,离不开高温特种水泥的特性。

  高温特种铝酸钙水泥结合剂和粉碎的高铝砖骨料在高温高速气流的作用下,在混凝土的表面能迅速形成一层硅酸盐粘性熔融体保护层,这个保护层起到了缓解高温高速气流对混凝土表面的气动加热作用,最终起到抗冲刷、耐烧蚀的作用。

  在之前的栏目中曾经科普过混凝土和水泥概念的区别,相对于一般土木建筑中用到的通用水泥,特种水泥指的是那些具有特定用途的水泥,有防辐射水泥、快硬水泥、膨胀水泥等。

  

  (铝酸盐耐火水泥)

  本文所说的高温特种水泥,也叫耐火水泥,其耐火度不低于1580℃,主要作用是用来胶结各种耐火集料(高铝耐火砖、煅烧高铝矾土等),形成耐火墙或耐火混凝土结构,按组成可以分为铝酸盐耐火水泥、低钙铝酸盐耐火水泥、钙镁铝耐火水泥、白云石耐火水泥等。

  耐火水泥的耐火温度,主要由其含铝量(氧化铝)决定,前面提到的CA-65是耐火水泥标号的一种,其中的CA指代的是成分中的铝酸一钙,65则代表氧化铝含量的不同。

  耐火水泥的组成成分很大程度决定了耐火混凝土的性能,同时会影响到施工和实际使用。

  以CA-65为例,它虽然解决了中国耐火混凝土导流槽从无到有的问题,但实际使用中也发现在发射基地气温特别低的情况下,会出现混凝土脱模时间长、强度难以增长的问题,使得施工质量和施工进度难以保证。

  为了解决提高硬化速度和提高混凝土标号问题,中国的科研人员在CA-65的基础上,加入了CA为主要矿相的水泥,形成双组分结合剂,使得设计要求将三天能达到的强度提前到一天达到。

  耐火水泥在水泥回转窑、其他高温工业炉窑等的内衬上都有重要的应用,耐火水泥制成的耐火混凝土已普遍应用到化工、冶金、建材等重要领域。

  

  (混凝土建筑也会发生火灾燃烧)

  结语

  通过工程实践,证明了由高温特种水泥打造的导流槽达到了国际先进水平,高温特种水泥的研究和使用,使得中国在对铝酸钙水泥的组成与耐久的相关性等方面有了新的认识,很大程度上补缺了中国特种水泥生产水平不足的问题。

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  编辑| 史文慧

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