長征五號(hào)沒有助推器能起飛嗎
關(guān)注長征五號(hào)B運(yùn)載火箭發(fā)射中國空間站“天和”核心艙電視直播的朋友也許注意到這樣一個(gè)細(xì)節(jié)：在火箭飛行的過程中,，助推器表面的漆皮先是脫落,，接著起泡變黃像是被高溫烤化了的樣子，這不由得讓人捏了一把汗,，擔(dān)心它突然爆炸,。有朋友問,，長征五號(hào)不是傳說中的“冰箭”么，它里邊裝的液氧溫度是-183℃,，液氫更是低至-253℃,，它的表面應(yīng)該是冰涼的，怎么能被烤焦,，會(huì)不會(huì)是出了什么問題,？圖片第154秒，助推器表面被“烤焦”的確,，這一切變化都是在幾十秒的時(shí)間里發(fā)生,。在火箭發(fā)射后第76秒時(shí)，三,、四號(hào)助推器表面還是光潔如新,，接下來的100多秒中,，助推器像是被火炙烤過一般，漆皮一片片掉落,，也一點(diǎn)點(diǎn)起泡發(fā)黃,。直到第176秒助推器成功分離，那顆吊在嗓子眼的心終于又放回到肚里,。圖片第76秒,，火箭表面光潔如新烤焦火箭的熱能是從哪里來的呢？前邊說了,，長征五號(hào)有“冰箭”之稱,，它的芯一級(jí)由2臺(tái)YF-77氫氧發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，發(fā)動(dòng)機(jī)的上方分別是液氫和液氧儲(chǔ)存罐,；在芯級(jí)的外面對(duì)稱固定了四枚助推火箭,，分別由2臺(tái)YF-100型液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)，助推火箭內(nèi)部上方是液氧儲(chǔ)罐,，下方是煤油儲(chǔ)罐,。液氧的溫度很低，它不可能熱到烤焦助推器的外殼,。圖片長征五號(hào)B內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意實(shí)際上在助推器頂端“斜頭錐”里邊是一套連接機(jī)構(gòu),，它與火箭芯一級(jí)連接并將助推力傳遞給火箭。由于受到高達(dá)300多噸的“偏置集中力”,，設(shè)計(jì)人員花了很大氣力優(yōu)化這個(gè)位置的受力結(jié)構(gòu),，沒有在這里安裝可能發(fā)熱的機(jī)電設(shè)備。也就是說,，烤焦火箭的熱源不在助推器里邊,，而是火箭在飛行過程中與空氣擠壓摩擦產(chǎn)生。寒冷的冬天,，我們經(jīng)常會(huì)搓手,，兩只手摩擦?xí)a(chǎn)生熱，這個(gè)道理幼兒園的小朋友都了解,。搓搓手會(huì)暖和熱的本質(zhì)其實(shí)是粒子運(yùn)動(dòng),。分子或者原子加速運(yùn)動(dòng)時(shí)會(huì)向外輻射更多能量，這就是熱,。一枚靜止的火箭,，撞擊它表面的空氣分子無論是數(shù)量還是速度都不大，隨著火箭運(yùn)動(dòng)的速度越來越快,，它的一些部位會(huì)推擠并壓縮前方空氣,，空氣分子更快更密集地撞擊使火箭表面溫度升高。這在物理上被稱為空氣動(dòng)力學(xué)加熱,，簡稱氣動(dòng)加熱,?？諝馐橇黧w，氣動(dòng)加熱機(jī)制非常復(fù)雜,，它跟物體運(yùn)動(dòng)的速度,、物體表面形狀及粗糙度、空氣密度以及環(huán)境溫度等等一大堆條件都有關(guān)系,，大致上它遵循下面的曲線：運(yùn)動(dòng)速度與表面溫度變化曲線你很難用一個(gè)公式簡單推算出表面溫度到底是多少,，比如說有人拿美國SR-71“黑鳥”高空高速偵察機(jī)的圖片，說當(dāng)它以三倍音速飛行時(shí),，機(jī)身表面的溫度可以高達(dá)300℃,。圖片據(jù)說“黑鳥”的表面溫度達(dá)300℃“黑鳥”表面到底有多少度，除非你在它機(jī)身蒙皮下方安裝溫度傳感器,，否則不會(huì)知道準(zhǔn)確數(shù)值,，因?yàn)檫@個(gè)數(shù)值隨著飛行高度、速度以及飛行姿態(tài)的變化時(shí)刻在變,。許多時(shí)候一個(gè)設(shè)備的氣動(dòng)加熱曲線是“吹”出來的,，你得把它放在超音速風(fēng)洞里吹，同時(shí)測(cè)量它到底有多熱,。歐洲航天局在設(shè)計(jì)阿里安-5型（阿麗亞娜-5）火箭時(shí)通過大量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn)，得出火箭在0.9馬赫飛行時(shí)表面空氣流場,、壓力與溫度的關(guān)系：圖片阿麗亞娜-5氣動(dòng)加熱實(shí)驗(yàn)阿麗亞娜-5火箭與長征五號(hào)火箭助推器氣動(dòng)外形比較像,，不同之處在于前者只有兩枚助推火箭而后者有四枚，在高速飛行的過程中,，二者空氣流場在助推器頭錐處面臨的情況相似：這個(gè)位置會(huì)因?yàn)閿D壓空氣產(chǎn)生壓縮波,，進(jìn)而發(fā)生氣動(dòng)加熱現(xiàn)象。飛行器在跨音速飛行時(shí),，會(huì)因?yàn)閴嚎s波的形成與壓力釋放而產(chǎn)生“音爆云”,，這其實(shí)是潮濕空氣中水蒸氣升溫—凝結(jié)—升華的過程，它恰巧發(fā)生在飛行器速度達(dá)到音速的前后,。圖片航天飛機(jī)跨音速時(shí)產(chǎn)生“音爆云”從直播畫面看,，長征五號(hào)B運(yùn)載火箭在飛行的第60-70秒之間跨越了音速，“音爆云”消失,，這時(shí)我們看到三號(hào)助推器頭錐表面掉了一小塊漆皮,，這很可能是被強(qiáng)大的空氣摩擦力剝離的。圖片長征五號(hào)第70秒超過音速隨著火箭飛行速度不斷加快,，助推器頭錐處的空氣壓力急劇上升,，氣動(dòng)加熱造成助推火箭表面溫度飆升，空氣擠壓和摩擦產(chǎn)生800℃左右的高溫?zé)釟饬鞑粌H大塊剝離油漆,，還將助推器柱段的漆皮烤到起泡變色,，讓人誤以為火箭很快就將發(fā)生爆炸事故,。下面這張加速了20倍的動(dòng)畫顯示出火箭從超音速開始到助推器分離前表面油漆的變化情況。圖片超音速后100秒助推器表面漆皮變化有朋友說,，為什么要給火箭涂油漆,，這樣會(huì)增加許多額外的重量，像馬斯克的星艦飛船那樣搞成不銹鋼外殼不香嗎,？大多數(shù)火箭都漆成白色并不只是為了美觀,，一個(gè)更主要的原因是白色可以反射絕大多數(shù)光譜的光，在發(fā)射前起到隔熱作用,，這對(duì)于低溫液體燃料火箭很重要,。馬斯克那個(gè)是做試驗(yàn)，省錢放在第一位,。長征五號(hào)B雖說是一型新火箭,，但以中國科學(xué)家的嚴(yán)謹(jǐn)態(tài)度，在設(shè)計(jì)過程中肯定做了大量風(fēng)洞實(shí)驗(yàn),，助推器因?yàn)闅鈩?dòng)加熱導(dǎo)致表面灼燒的情況應(yīng)該早在掌握之中,，在制造火箭時(shí)也充分考慮了應(yīng)對(duì)之策。只不過對(duì)于吃瓜群眾來說,，眼瞧著“外焦里嫩”的大火箭飛天,，心情緊張也是可以理解的，畢竟長征五號(hào)托舉的是咱中國空間站,，是中華民族的驕傲呀,！圖片長征五號(hào)B成功發(fā)射
沒有助推器肯定不能起飛的！
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