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钢的熔点大约在1500摄氏度左右。 钨，最耐热的金属单质，其熔点也不过才3000摄氏度多一点。 而火箭发动机，从尾部喷嘴里喷出的燃气温度轻轻松松就能超过3000摄氏度，那么，问题就来了，为什么火箭发动机没有把自己的喷嘴给烧化掉？  答案很简单，要是就这么干烧的话，任它是什么材料都扛不住，但是如果把用纸做的碗里面装上了水的话，就算是把水都烧开了，纸也是烧不穿的。同样的道理，火箭发动机的喷嘴里，当然，还有燃烧室里，也是需要装上一些能够帮助它吸热的材料的。 具体方法大概有以下几种，再生冷却、屏蔽冷却和膜冷却、蒸腾冷却、烧蚀冷却和辐射冷却。  下面我们就一一介绍一下。 再生冷却是大推力液体火箭发动机采用的主要冷却方法。它其实是有点物尽其用的意思，怎么说呢，因为液体火箭所用的燃料一般都是液氢、液体甲烷、煤油、液氧之类，煤油咱就不说了，另外几样东西，你要保证它是液态，温度必须要降到非常低才行，比如最夸张的液氢，其温度低至零下252.7摄氏度。 要是能用它来帮喷嘴降温不是很妙吗。所以再生冷却就是这么干的。  在把这些低温液体燃料注入燃烧室之前，先让它们围着喷嘴走一圈，不仅能带走喷嘴里面的热量，同时还让它们在进入燃烧室之前预升温了一把，于是这些带走的热量也就完全没有浪费掉，而是重新回到了燃烧室里面，就像是白捡来的一样，正是因为在这个循环当中没有热量的浪费，所以这种方式才叫做再生冷却了。 那么，这些由燃料兼职的冷却剂，是通过什么样的途径去喷嘴里面兜圈圈的呢。 主流的结构有管束式结构、铣槽式结构和波纹板结构。  管束式结构，其典型的代表是土星5号上面的F1发动机。  它将铜管、镍铬合金或是不锈钢的导管按轴线方向或者是螺旋式的埋进喷嘴的内外壁之间，就像是夹心饼干中的夹层那样…十分美味…不不不，是十分有效。   当然，管子的形状也是有讲究的，研究表明，像图中这样纵横比小的矩形管子是兼具刚性、成本、重量的最佳方案，所以用的也是最多的。 再说铣槽式结构，当燃烧室内的压力比较高的时候，为了增加结构的刚度和改善热效率，铣槽式结构就登场了。   它会在燃烧室的内壁外表面用数控铣加工出很多这样并排的冷却槽道，让燃料流过它们来为燃烧室降温。其中的代表是航天飞机的主发动机，它采用的是混搭式的再生冷却通道，前段，也就是燃烧室和喉咙部分采用的是铣槽式，喷嘴的部分则是将1086根矩形导管焊在一起制成的。  它的效果有多好呢，据说发动机点火后，尽管其内壁的温度接近3000摄氏度，但外壁的温度却能低到可以用手去触摸，而且，最好是要戴上手套哦，不然说不定会被冻伤的。冰火两重天，这是不是就是最好的诠释了呢。  好，最后一个再生式冷却通道的结构，波纹板结构…欸，这个咱熟悉，不就是从瓦楞纸里面借鉴的吗，我昨天刚拆了五个包裹，认真、仔细、严谨的学习了一下这种了不起的航天科技。 当然，它有个问题，就是有一半的冷却剂不能与内壁接触，所以冷却效果来的还不如缓冲效果好，难怪我没有找到它的课代表了。 好了，以上就是再生冷却的详细解释，下面我们来看另一种冷却方式，屏蔽冷却和膜冷却。 严格来讲，它们应该是两种不同的冷却方式，但原理上差不了太多，所以我就干脆把它俩放在一起了。它们都是通过将冷却剂，欸，跟前一种方式一样，通常也是由燃料穿上马甲后充当的临时工，直接喷向内壁，从而在内壁附近形成一层薄薄的液膜或者是低温蒸汽膜来隔绝高温燃气传向内壁的温度的。 屏蔽冷却 膜冷却 只不过前者是用推力室头部喷注器最外圈的喷嘴来喷的，而后者是由贴着内壁的专门的冷却带来喷的。 总之，两者的效果都不错，而且好处是还能把喷嘴的外观做的亮闪闪滑溜溜的，比如猎鹰9号上面的那些梅林1D发动机。 好，蒸腾冷却，它是一种非常有前景的主动式散热方式，冷却剂通过内嵌在燃烧室和喷嘴内壁的多孔材料渗入到推力室的内表面上，吸收热量蒸发并形成低温的蒸汽膜。 这是不是可以理解为是双重保护呢，蒸汽膜是一重，多孔材料本身也应该算是一重吧，所以把它用在像是火箭发动机温度最高、压力最高、热流密度最高的喉咙部位时，可以收获到比其他技术效率更高的冷却效果。 好，接着我们再来看看什么是烧蚀冷却，说白了，就是把采用烧蚀材料制成的内衬镶嵌到喷嘴的内壁上，这些烧蚀材料通常是由碳纤维、凯夫拉等材料制成，在工作时可以吸收热量并分解生成气体，这些气体在渗出后于是就可以在内壁面上形成一个具有保护作用的边界层了。 嗯，凯夫拉果然是劳模，不仅保护人体还能保护火箭，值得倾佩。不过缺点嘛，就跟穿上防弹衣会拉低你的运动分一样，这种烧蚀冷却由于要给火箭发动机也穿上一层衣服，当然会拉低它的成绩。 但它便宜简单呀，没前面几个那些复杂的结构，用在原本就不太讲究的固体发动机上，那是极好的。 好了，终于说到最后一个，辐射冷却了。 这种冷却方式一个词就能总结：硬扛！是的，它啥方法也不同，推力室就只是用一层薄薄的金属制成，当然，这些金属比较特殊，是铌、铱、铼合金等耐高温的金属。 方法是这样的，燃气向内壁传热，使得推力室的室壁温度升高，同时室壁向外界环境中辐射的热量也在增加。最终室壁达到热平衡，壁温达到稳定值，此时室壁通常发红或发白。这种方式通常用在热通量密度较小的部件，如大膨胀比的喷管的扩张段、小推力单组元发动机的推力室等。 猎鹰9号二级上的梅林1D发动机采用的就是这种辐射冷却，喷嘴只有一层薄薄的铌合金，甚至拿剪刀就能帮它重新修剪个形状出来了……我已经跃跃欲试了。 其实在每一台火箭发动机里，都不太可能只是用单一的冷却方式，工程师们会把以上的这些方法结合来使用，以达到效果、成本上的最佳平衡。 |
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