美国SLS登月火箭、航天飞机以及中国的长征五号,这些大块头点火升空前,都会出现火花四射的场面。难道,火箭是靠烟花点火的?这背后其实还有我国的一项重要技术突破。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(1)

美国SLS登月火箭发射升空,不知道大家注意到没有,火箭点火前,发动机附近先是火花四射,然后发动机才正式启动。这是什么原因?难道是用烟花给火箭点火?

其实这个动作是正常流程,美国率先应用;我国长征五号发射时,也有类似的场景。

这些喷射火花的设备也不是烟花,这种设备叫【消氢点火装置】,由中国航天科技四院42所研制,在火箭发动机工作前3秒内,点燃火箭的“第一把火”。别小看这个“火花发生器”,它的设计可是一项技术突破,而且非常重要。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(2)

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(3)

【航天飞机发射前喷出大量火花】

点火是危险的操作,液氢发动机尤甚

火箭点火相当危险,因为使用的都是高能燃料,燃烧过程甚至可以说是“可控爆炸”,与爆炸其实差不了多少。即便是平常锅炉点火都极为危险,更何况是面对几百上千吨的烈性燃料。这么危险的操作,必须确保万无一失。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(4)

【锅炉点火,也是很危险的,但远比不上火箭点火】

但恰恰是航天飞机、SLS以及我们的胖五,遇到了个危险的大问题,那就是氢。这些火箭都使用液氢液氧燃料,燃料的特点就是自己不会主动反应,一点火星就着。

氢氧点火不仅仅是燃烧,一旦比例超过阈值,会直接发生闪爆。最头疼的是,氢气的燃点是500多度,但闪点低于零度,也就是这东西常温下随时可能爆炸。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(5)

【喷出火花的,就是消氢点火装置】

长五安全点火,全靠我国自主技术突破

液氢液氧发动机,点火前,要先喷出燃料,再点火,怎么确保这些高浓度的氢气氧气,在点火之前不会爆炸,还能顺利启动?全靠【消氢点火装置】。

这种装置可以提前启动,持续发火,利用产生的高温高速金属粒子,把点火之前的低温氢气先消除掉,避免氢气聚集,因此也被称作冰火箭的“保护神”。

原理简单,制作太难,毕竟不是造烟花。能造火箭的国家很少,能造液氢液氧大火箭的国家更少,哪怕是这些技术也被国外航天强国封锁垄断。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(6)

【消氢点火装置示意图】

没有技术,没有产品,没有配方,没有设计,甚至没有可参考的数据,什么关键信息都没有,完全是两眼一抹黑。

但比这还难的路,我们航天人都已走过,这次,也没什么了不起。没配方,我们就尝试。不清楚高温金属粒子产生条件,我们就摸索。不清楚安全点火条件,我们就研究。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(7)

就这样,一点点啃,一步步走,上千次实验之后,我们攻克了高温金属粒子流发生技术、推进剂配方、低压点火和燃烧控制技术、金属粒子点氢技术、粒子流喷射控制/抗风技术……

一个个技术难题最终被解决,火花终于成功在发射台上燃起。2016年,该技术首次用于长征五号首飞,帮中国的大火箭点了“第一把火”。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(8)

火箭点火,花样繁多

由此我们可以看到,火箭点火,并不像用打火机那么简单容易。其他火箭又是怎么实现启动的呢?那可真是八仙过海各显神通。

有些燃料,特别省心,比如我们长征二号火箭常用的肼燃料,主动性好,两种燃料一混合直接就自燃,不需要操心点火问题。通过控制燃料供应,就能实现点火和再启动。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(9)

有些燃料比如煤油无法自燃,但是温度太低与液氧相遇又会爆炸,于是人们想到提前用其他能自燃的燃料当先锋,完成提升温度和点火的作用。同时控制这种燃料,也能控制发动机再次启动。有时看发动机试车,一开始喷绿火,后来变红火,不是因为煤气灶进气有问题,而是燃料前后不一样了。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(10)

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(11)

【中国火箭发动机地面试车】

还有些火箭,比较简单粗暴,使用巨型“火柴”点火,那就是俄罗斯联盟号火箭。联盟号发动机喷口太多了,为了确保全部成功点火,使用了类似大型火炬一样的设备,直接捅到喷管内部,借助电线与火药确保顺利启动。而且这东西真的是木头做的,作用应该是因为廉价而且绝缘,并非真的是当火炬用。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(12)

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(13)

【俄罗斯火箭,用木头点火,真的】

仅仅是火箭点火,就有这么多门道,大工程其实每一个细节都非常关键,我们常说,魔鬼总是在细节中,这句话一点不错。航空航天作为一个木桶效应非常强的工程,哪怕有一个螺母技术无法突破,一枚火箭、导弹或战机,都可能卡在那里,造不出来。

所以,航天或者航空,也不能光看发动机或者武器如何如何,其实每一个微小的细节,都有专家们智慧结晶,若是长五没有【消氢点火装置】,虽然设备不起眼,但根本无法安全可靠的飞上太空,技术没有轻或重,也不分大和小。只要能打破封锁,实现突破,任何一个不起眼设备的国产化,都是非常重要的。集腋成裘,积沙成山。

长征五号使用的燃料(长征五号点火前3秒)(14)

,