我們常常看到巨大的火箭發射臺在火箭發射升空的時候會噴出大量的水。噴水可以降溫、防止火箭的尾焰燒壞發射臺,還可以抑制火箭燃燒產生的巨大噪聲。
火箭點火的剎那間溫度高達2800℃,足以熔化絕大多數金屬和非金屬,而且會產生強大的衝擊波和反射波。
如果放任燃氣流隨意蔓延,很有可能造成發射塔及其周圍地面、地下設施損壞,還可能破壞火箭尾部,導致發射失敗。所以光用水來降溫是不夠的。
發射塔下挖空做出導流槽
導流槽幫助地面設施、火箭避免被破壞,也為火箭振翅高飛添加了漂亮的火焰翅膀特效。
導流時,導流槽的入口段正對著火箭發動機尾部的噴管,將火箭發射時噴出的燃氣流第一時間導引到導流槽的地下部分,然後導流面將燃氣流噴射的方向由直接向下轉為向兩側流動。最後,折流段進一步調整燃氣流的方向,使它沿著折流段設計的方向回到地面。
導流槽寬20米,有8層樓的高度那麼深,總長約110米,面積約有10個籃球場的總和,採用鋼筋混凝土構築,能夠耐受1500℃的高溫。
光是靠混凝土是不足以抵禦2800℃的高溫
還要在導流槽的表面覆蓋上一層耐火材料,如耐火磚、耐火塗料、耐高溫防護板等。
每次火箭發射噴射的大熱量尾焰會導致耐火材料飛散,並對發射平臺局部造成損壞,所以每次火箭發射後,地面工作人員都要對發射平臺局部破壞位置進行修補。
耐火材料面對這麼高的溫度是有使用次數,所以需要做定期的更換。酒泉衛星發射中心的兩個發射平臺,光耐火塗料就需要近4噸。每次覆塗塗層前,還要將上次發射對平臺造成的燒蝕表面進行打磨,再用幾百公斤的溶劑進行清洗,才能塗覆新的耐火塗料。
火箭發射升空時大流量噴水降溫、降噪
火箭發射時,約有400噸水在20秒的時間從噴水裝置中噴出,燃氣流會讓30%的水在5~6秒內迅速蒸發氣化,產生大量的白色水汽,然後順著燃氣流的流向排出導流槽。這就是我們在火箭點火時看到的巨大白幕。
人正常的交談聲音在40~60分貝,超過90分貝就會損害聽力神經,而土星五號火箭在發射的時候噪音高達220分貝。飛機是140分貝,火箭噪音比飛機噪音高80分貝,代表著它攜帶著劇烈的能量波,遠遠不是擊碎耳膜那麼簡單,這麼強烈的能量對火箭是致命的威脅。
噴水後,空氣中的水分子會吸收聲波的能量,把空氣的震動轉化成水分子的熱運動,達到降噪的目的。
不是所有的發射場都採用噴水的方法來降溫、降噪
比如俄羅斯位於哈薩克斯坦的拜科努爾航天發射場經常會遇到零下十多度的氣溫,如果採用噴水系統,整個發射臺很可能就會瞬間變成大冰棍。
俄羅斯的工程師為了抑制噪音,在火箭的下方挖一個巨大的空洞,洞裡有一個用來反射噪音的斜面,這樣同樣可以確保噪音不會傷害到火箭本身。