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长征五号火箭“黑丝带”乱飘暴露缺陷?其实那是黑科技

有关注中国空间站“天和”核心舱发射的朋友向我吐槽:长征五号B遥二火箭在飞行过程中,摄像镜头拍到左侧助推器底部有两条黑色的“丝带”一直在飞舞(有人更损,说那是黑塑料袋),这究竟是什么东西呢?

飞舞的“黑丝带”引吐槽

如果我们将镜头往前摇,回到长征五号离开发射台的那一刻,就会发现“胖妞”开始升空时并没有穿黑色的“超短裙”:

“胖妞”刚升空时没穿“小黑裙”

点火瞬间的电视画面也显示,火箭底部很干净,除了助推火箭发动机喷口外,没有其它累赘的东西出现。

长征五号B点火瞬间画面

这就奇怪了:难道这两条黑色薄纱是从发动机里喷出来的?会不会是长征五号火箭发动机在设计上有什么缺陷

长征五号B火箭上主要有两个型号的发动机,它的芯一级上装了两台YF-77型液氢/液氧发动机,氢气与氧气在火箭发动机燃烧室里充分混合燃烧后,喷出来的就是高温水蒸气;长征五号B捆绑的四枚助推火箭烧的是液氧/煤油,YF-100发动机喷射的主要是二氧化碳。如果发动机燃烧室里反应不充分,会有一些碳从发动机喷口喷出来,所以你可以看到黑烟,这是全世界液氧/煤油发动机的通病。

长征火箭喷出的黑烟会变成“黑纱”吗?这很难,YF-100的地面比冲为2942m/s、真空比冲达3286m/s,燃气喷射速度极快,黑烟没可能停留在火箭尾端。因此发动机的“作案嫌疑”可以排除。

长征五号B尾焰很长

火箭喷射出的气流温度高达3000℃~4000℃,几乎没什么材料能抵抗如此高的温度。科学家们利用各种办法来冷却发动机喷嘴,但喷射火焰的辐射热还是能很快熔化火箭底部材料,因为在喷口与火箭底部之间会形成一个高温湍流区,这里的温度可能超过1000℃。

为了保护发动机摆动机构以及重要管路,科学家需要在火箭底部安装防热隔板,这种隔热板是一种碳和硅为主制成的耐高温复合陶瓷,世界上大多数火箭都用它来做隔热板。在发动机和隔热板之间,再用碳或硅纤维酚醛布填补空隙,这样既保证发动机喷口可以动,又不使热气流钻进箭体内部。

长征五号助推火箭底部防热结构

无论是火箭助推器底部的防热板,还是上图中发动机喷口周围的白色罩布,它们都不能在火箭飞行过程中出现破损,一旦这里破了就意味着发动机最薄弱的部分暴露,从而引起爆炸。

长征五号助推火箭的复合材料壳体不耐高温,为了在保持轻量化的同时确保外壳不被高温烤化,设计者给它套了一圈耐高温“百褶裙”,就是你看到的长征五号火箭助推器下边灰白色带褶皱的那一圈东西。

“百褶裙”也是碳纤维防热复合材料

炎炎盛夏,我们皮肤表面有汗就不会觉得非常热,因为水在蒸发时会将热量带走。热能是由分子或原子振动造成的,辐射能量传递给物体表面,会让表面的粒子加速振动,振动向周围粒子传导,导致整个物体变热;假如说物体表面的粒子因为振动速度太快而脱离出去,它没有机会将能量往里边传,于是减少了热传递通道。这就是用“热蚀”来防热的原理。

通过隔热层的烧蚀减少热传导

热蚀的一个最经典应用就是返回式飞船的“防热大底”,你别看载人飞船再入大气层时燃起熊熊大火,整个底部烧得通红,但飞船里边的温度并不高,因为飞船底部安装了一块厚厚的防热层,防热层表面覆盖着烧蚀材料,通过热分解将能量带走了。

长征火箭助推器下边粘的“百褶裙”也是燃烧自己、保全火箭的防热典范。我没有查询到官方资料,按通行的做法,通常是以碳纤维或二氧化硅纤维做骨架,浸润热挥发性复合材料,当受到高温辐射时,复合材料发生热分解,从而在蒸发的过程中将热量带走。

“黑丝带”是热蚀层的碳纤维骨架

长征五号火箭在上升过程中,发动机尾焰的热辐射不断炙烤着助推器下端,覆盖在助推器外边的热蚀材料在高温下分解,再被强气流带走,最后留下了“百褶裙”里边未脱落的碳纤维布随风飞舞。美不美另说,保住了火箭,将空间站安全送上轨道咱就算达到目的。

所以说,长征五号B在升空过程中挥舞的“黑丝带”并不是火箭有缺陷或出了什么故障,而是为了火箭热防护做的一项精妙设计呢!