[科普中國]-逃逸塔：載人火箭的生命通道

在火箭發(fā)射時一旦發(fā)生意外情況，逃逸系統(tǒng)主發(fā)動機將點火工作，在火箭發(fā)射后120秒內(nèi)（即高度在0～39千米），將產(chǎn)生高達70余噸的推力，把飛船返回艙“拽”到1500米開外，幫助航天員逃生。

中國長征家族系列運載火箭示意圖

載人火箭頂部為什么有一個尖尖的塔

發(fā)射載人飛船與發(fā)射衛(wèi)星的火箭不同，運載火箭頂端都有像避雷針的尖頂——逃逸塔，也是保障航天員安全的“生命之塔”。運載火箭由箭體結(jié)構(gòu)、飛行測量系統(tǒng)、推進系統(tǒng)、附加系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和安全系統(tǒng)組成的。載人火箭為了安全起見，要增加一個獨具的逃逸系統(tǒng)，它是由可分離的頭部整流罩和逃逸塔組成的逃逸飛行器。以中國的“長征二號”火箭為例，1臺分離發(fā)動機、由1臺逃逸主發(fā)動機、2臺高空分離發(fā)動機、4臺偏航俯仰發(fā)動機和4臺高空逃逸發(fā)動機組成的逃逸系統(tǒng)動力裝置。逃逸主發(fā)動機負責提供逃逸的動力，整流罩里有1個下支撐機構(gòu)和1個上支撐機構(gòu)，外面有4個像支架一樣的柵格翼。這些發(fā)動機的安全可靠性指標要求達到99.99%。需要逃逸的時候，“柵格翼”會按照指令展開，下支撐結(jié)構(gòu)和上支撐結(jié)構(gòu)緊緊抓住飛船的返回艙，實施逃逸。

一旦發(fā)生意外情況，逃逸系統(tǒng)主發(fā)動機將點火工作，在火箭發(fā)射后120秒內(nèi)（即高度在0～39千米），將產(chǎn)生高達70余噸的推力，把飛船返回艙“拽”到1500米開外，幫助航天員逃生，只在3秒內(nèi)完成。火箭如果飛行順利，會在飛行120秒時拋掉逃逸塔。如果火箭在發(fā)射后120～200秒（即高度在39～110千米）再遇不測，剩下的4臺高空逃逸發(fā)動機會瞬間完成點火工作，帶航天員脫離險境。

逃逸塔分離示意圖

火箭為什么不怕熱

火箭要把航天器送入太空，必須以幾千米每秒的高速穿越大氣層?；鹈缤鈿ぴ谶@么高的速度下，與大氣摩擦將會導致高溫，火箭頭部的溫度會高達上千攝氏度。

火箭能承受如此高的溫度得益于高科技特種涂料?；鸺┥狭艘粚颖《鴪皂g的防護衣。這些材料傳熱很快，是用鈦合金、鈹合金、鋁合金和玻璃鋼等材料做成的火箭外殼。如果火箭外殼直接接觸高溫，火箭外殼的強度會大大削弱。高溫同時會很快傳到火箭內(nèi)部，各種控制儀器和電子元件會燒壞。在耐高溫的有機合成樹脂中，科學家經(jīng)過試驗，發(fā)明了一種既耐高溫又有良好隔熱性能的耐燒蝕隔熱涂料。添加一些無機填料：云母粉、二氧化硅、碳硼纖維等；升華物質(zhì)：氧化硒、硫化汞等。把這種涂料噴涂在火箭的外殼上，就形成了保護層。涂層中的升華物質(zhì)當火箭在大氣中高速飛行時，會因受熱而揮發(fā)。耐高溫有機樹脂會形成微孔的碳化層，部分熱量會被升華物質(zhì)在揮發(fā)過程中帶走，留下就像一道隔熱的樊籬的“碳化層”，把火箭外殼與外界大部分熱量隔開。依據(jù)火箭飛行時間、涂料燒蝕速度和涂層的隔熱效果設計，涂層有一定的厚度，表面的碳化層如果被氣流沖走，下面的碳化層還能“接班”，一直能使用到火箭完成飛行任務為止。

除了用于火箭和飛船等航天器，這種耐燒蝕隔熱涂料，還可用在玻璃鋼火箭發(fā)射筒的隔熱、飛機發(fā)動機的隔熱和抗激光穿透等方面。

火箭為什么會有這么大的“力氣”

以“長征二號”火箭點火時為例，每臺發(fā)動機的推力是75噸，加在一起600噸，由一級火箭和4個助推器的8臺煤油液氧YF-100型發(fā)動機同時工作。重達480噸的火箭被這么強大的推力抬起推向太空。

火箭的質(zhì)量比與火箭發(fā)動機的噴氣速度決定了火箭的飛行速度?；鸺w行的速度越快，發(fā)動機的噴氣速度越大；火箭飛行能達到的速度就越大，火箭的質(zhì)量比越大。其中，由發(fā)動機的設計水平和推進劑的比沖，決定火箭發(fā)動機的噴氣速度。發(fā)動機所獲得的能量效率越高，設計水平越高，火箭發(fā)動機的噴氣速度越大。

當發(fā)動機“點燃”第一級火箭后，火箭就開始脫離發(fā)射架上升。火箭幾秒后完全通過發(fā)射塔。火箭一直保持垂直飛行，在離開地面后的幾秒內(nèi)。發(fā)動機噴管的萬向節(jié)為了保證按合適的方位飛行，按預定程序旋轉(zhuǎn)，產(chǎn)生橫向推力，使火箭稍微傾斜從垂直角度，基本還是垂直向上飛行的。因為整個火箭的質(zhì)量大得驚人，所以，火箭一開始的加速過程不十分明顯。重力使火箭在第一級推進劑燒完時，緩慢地從微傾斜角度轉(zhuǎn)入水平方向的飛行。這一過程被稱為“重力轉(zhuǎn)彎”，火箭以提高所需的速度，從以上升為主轉(zhuǎn)向向前推進。爆炸螺栓使大箭的其余部分分離，在第一級火箭的推進劑燒完后。第二級火箭開始點火，火箭已飛行2～3鐘，繼續(xù)加速飛行。

即使第二級火箭產(chǎn)生的推力不如第一級大，火箭加速也要比先前快很多?；鸺扬w出稠密大氣層，在高度達到150～200千米/時，按預定程序拋掉整流罩，進一步減輕火箭發(fā)動機加速的質(zhì)量負擔。在火箭快接近軌道速度時燃燒完畢，爆炸螺栓使第二級火箭與有效載荷分離。有效載荷上的推力器將把它送人最終的軌道。第二級火箭落入大氣層，靠空氣摩擦燃燒，變成灰燼。

“長征二號”點火發(fā)射

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