每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理

过去十年我国每年航天发射次数基本都在世界第一或者第二位,特别是最近几年我国光是每个月的火箭发射次数就多达数次,可以说现阶段我国一个月的航天发射次数就已经顶国外有些国家全年的航天发射次数了。在这么频繁的发射次数背后,每次发射时我们看到火箭尾部喷出的高温燃气一方面在推动火箭上升的同时,另一方面也对基础设施—火箭发射塔或者火箭发射台的硬件设施产生包括高温、噪音、震动等在在内的多重伤害。那么每次发射火箭时时如何保证这些基础设施不被摧毁?又是如何避免三千多度高温烤蚀的呢?每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图1其实在火箭基础设施高温防护上主要由两种防护措施,一种是大量喷水的“湿式”保护措施,另外一种则是采用耐高温材料做成的“干式”保护措施两种模式,具体来说的话,这两种防护措施大部分硬件设施结构是相差不大的,只不过在降温处理上有所不同罢了。比如不管是干式还是湿式在火箭发射台下面都有一个尺寸巨大的“V型”导流板,其主要是用耐高温的特种钢材搭建成基础结构框架,然后在表面和周围墙壁覆盖有多层反射、耐高温的混凝土导热砖,这样除了能够让火箭喷射出的几千度高温燃气偏转到两侧顺利排走外,还能避免对发射台造成高温烤炙和冲击破坏。每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图2每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图3但是光排走高温燃气并不能彻底解决两三千度高温对整个发射台的烧蚀问题,所以就要在发射前就提前对整个发射台进行降温处理,以保证火箭离开发射台后整个发射台基础设施能够尽快散热避免损坏。在降温处理上我国和国外走出了完全不同的路。比如美国在发射航天飞机之前,发射台下的高流量水喷射系统会在短短几秒钟内喷射出四五百吨的水来给整个发射台降温,并借助水的冲击力淹没发射台噪音和阻止降低发射过程中,高温燃气对这个发射台产生的震动影响。每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图4每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图5这种短短几秒钟内就喷射出几百吨降温水的确看起来很壮观,但是在基础建设过程中首先大量的水源供应很重要,所以对于发射场附近的水资源整合有一定要求,其次需要在发射台附近开建能够容纳五六百吨水的水塔,然后还需要在发射台附近开建一连串深水井,以回收发射降温后的废水,而且还需要对这些废水进行环保处理。所以这种湿式高温处理模式虽然有着过程简单的优势,但是对于周边环境有一定的要求,而且大量依靠水来实现降温也会增加整个发射流程复杂性,不利于短时间内密集发射需求。而且每次发射完都需要对整个发射台进行维护保养,因为不管是速度超过音速的高温燃气还是高速喷出的降温水都会对整个发射排烟和基础设施产生“冲击性破坏”,比如美国航天飞机发射完后,虽然有高流量水喷射系统降温处理,但是高温燃气和高流程降温水都会对整个发射台基础设施产生一定破坏,导致发射台下面墙体上的隔热砖脱落,所以湿式发射虽然看起来结构简单、方便,但是不光存在初期建设成本高、建设工程复杂的问题,而且也存在发射成本高、发射后需要对降温水回收、环保处理和发射台全面检修维护问题。每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图6每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图7而我国采用的干式降温模式就不一样了,当然在我国发射第一枚东方红一号卫星的时候也采用过湿式发射,但是由于存在以上这些问题,再加之酒泉卫星发射中心地处西北荒漠地带,附近没有水资源可以大量使用,所以一个是为了改变湿式发射存在的问题,另一一个则是因地制宜,我国在发射台的降温处理上采用了“干式发射”。每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图8所谓的干式发射顾名思义就是发射台不需要大量水资源即可完成整个发射台的耐高温烤炙、降噪、震动处理问题。在火箭发射台下面依然保留有对火箭发射尾焰折流处理的V型导流板,但是整个导流板除了利用流体力学设计能够更高、更快的将几千度高温燃气改变方形向发射台两侧折流过去外,也借助敷设在表面的耐火砖表面高温化学反应实现了散热和降噪、降震处理。每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图9比如其表面敷设的高温耐火砖采用特种铝酸钙水泥结合剂和粉碎的高铝砖骨材料制成,在高温燃气冲击下,高温会在混凝土耐火砖表面形成一层硅酸盐粘性熔融体保护层,来实现耐火砖本体和两三千度高温之间的隔热处理,可以说这个隔热保护层不仅起到了缓解高温高速气流对混凝土表面的气动加热作用,而且也起到抗冲刷、耐烧蚀的作用。所以我们看酒泉航天发射中心发射长征火箭的时候,发射台两侧喷出的是土灰色的燃气流,而非湿发射时的高温水蒸气。每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图10同时为了降低火箭发射尾焰产生的噪音和震动问题,酒泉卫星发射中心的发射台下面的导流槽内依然敷设了喷水系统,只是这个喷水流量并不大,只是满足喷出的水幕能够对火箭尾焰进行降温和更重要也是更核心的降噪、降震功能即可。而且因为喷水流量不大,喷出的水会被高温燃气吸收变成水蒸气挥发,所以也不需要额外建造废水回收系统和对环境产生影响的问题出现。每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图11同时相比湿式发射而言,这种干式发射因为不需要大修水利设施,大大简化了整个施工复杂性,所以其建造成本也更为低廉。同时因为没有降温水的浸泡和冲击,整个发射台的耐火导流槽也不需要每次维护保养,所以也有着经久耐用、使用维护成本低廉的优势。

发射平台旁装备了“大流量喷水降温降噪系统”

要给发射平台喷水降温,否则火箭发射台内部的仪器设备很可能因高温受影响。

  火箭点火起飞时,箭体尾部喷出的火焰几乎“直击”发射平台,使得发射平台瞬间接近3000℃,足以溶化绝大多数金属和非金属材料,即便火箭发射平台由特殊材料制成,表面有防热涂层,也很难承受如此高的温度。

  比起西昌、酒泉等卫星发射中心的发射平台,新一代运载火箭的发射平台在功能上更强大。它在综合发射系统主要功能基础上,将多个系统的设备集于一身,如温度太高,发射平台将可能遭到损坏,进而影响火箭发射安全性。

  国际上先进的降温方法是喷水降温,这一方法也将出现在“长七”火箭发射中。

  中国运载火箭技术研究院(简称“火箭院”)下属的北京航天发射技术研究所“大流量喷水降温降噪系统”技术负责人陈劲松介绍:“在火箭飞到5米高以后向箭体尾部火焰中心喷水,两级喷水设施各喷20余秒,完成400 吨的喷水量”。

  因此,新一代运载火箭的发射塔,为此要“顶”一个能容纳600吨的水箱,装好自来水备用。

  陈劲松介绍:“400 吨水中,有30% 的水会汽化到大气中,60%的水则通过导流槽流走,水分蒸发带走大量的热,发射平台核心区降温幅度在1000 ℃左右”(实际测量结果是发射平台表面温度不会超过500℃)。此外,该系统还有良好的降低噪音效果。

每次运载火箭发射完都需要对发射塔维护吗怎么做耐高温处理图12

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