Así es, la temperatura de la llama expulsada cuando se lanza el cohete es cercana a los 3000 ° C. No hay ninguna sustancia metálica en el mundo que pueda soportar una temperatura tan alta y un calentamiento prolongado durante mucho tiempo. Entonces surge la pregunta: ¿Por qué el cohete no se fundió solo?¿Tela de lana?
La respuesta es el uso de materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas y un diseño de refrigeración. Hoy, hablemos de la resistencia a altas temperaturas de los cohetes.
Después de encender y lanzar el cohete, la boquilla inyecta una llama de alta temperatura hacia el exterior para obtener empuje, y la llama se genera por la combustión violenta de combustible a través de la boquilla del motor del cohete.La temperatura de esta llama puede alcanzar los 2500 ℃ ~ 3000 ℃.
Por lo tanto, la tobera del motor de cohete necesita un material resistente a altas temperaturas para su fabricación y un diseño de disipación de calor eficiente para garantizar que no se derrita por la llama de alta temperatura.
Diferentes cohetes de combustible requieren diferentes materiales y diseños para fabricar las toberas de los motores de cohetes, es decir, motores de cohetes líquidos y motores de cohetes sólidos.
La tobera del motor de cohete líquido está hecha de aleación de titanio, circonio y molibdeno, que puede soportar la combustión a largo plazo a una temperatura alta de 1800 ° C. Es el principal material de fabricación para la mayoría de las toberas de motor de cohete líquido en el mundo.
La imagen a continuación muestra a Gao Fenglin, un gran artesano del país que está soldando la boquilla del motor del cohete. Dado que el material de aleación resistente a altas temperaturas de la boquilla de doble capa es muy delgado, cualquier error puede provocar la falla del diseño de disipación de calor. , por lo que debe ser soldado manualmente por un artesano experto.
Obviamente, la resistencia a altas temperaturas de 1800 ℃ no es suficiente para soportar la combustión a largo plazo de la llama de 2500 ℃, por lo que al diseñar la boquilla del motor cohete, se adopta un diseño de refrigeración.
Es decir, la boquilla del motor del cohete está diseñada como una capa doble, la capa exterior tiene un grosor de aproximadamente 1,8-2 mm y la capa interna tiene un grosor de aproximadamente 3 mm.Cuando se enciende el motor del cohete, el oxígeno líquido a baja temperatura y el queroseno u otros combustibles son transportados a la boquilla a través de la tubería de entrega del motor.Cuando la mezcla se convierte en una mezcla, el combustible líquido criogénico enfría la boquilla por el camino.
El principio de enfriamiento de este diseño es que el combustible líquido a baja temperatura fluye a través de la cavidad interna de la boquilla de doble capa y el calor de la boquilla se elimina en forma de flujo de alta velocidad para lograr el enfriamiento. efecto.
La ventaja del diseño de refrigeración líquida es que no solo puede controlar la temperatura de la tobera del motor cohete por debajo de 1600 °C, sino que también precalienta la mezcla de oxígeno y combustible a baja temperatura durante el proceso de refrigeración, lo que hace que la combustión sea más fiable.
El diseño está inspirado en la boquilla de corte de gas. La temperatura de la llama de corte supera los 1500 °C durante el trabajo de ignición. La razón por la cual la boquilla de corte de gas no se derrite es el diseño de doble capa de la boquilla, cuando la temperatura baja de oxígeno-acetileno El gas mezclado pasa a través de la boquilla a alta velocidad, la alta temperatura también se elimina por el camino, por lo que la boquilla no causará superposición de temperatura.
El motor de cohete de combustible sólido es diferente. Dado que el combustible es sólido, la boquilla del motor de cohete no se puede enfriar. Por lo tanto, la boquilla del motor de cohete de combustible sólido solo puede estar hecha de materiales no metálicos resistentes a altas temperaturas: grafito.
La siguiente imagen muestra el motor de cohete doméstico de combustible sólido en la prueba.Debido al diseño de la boquilla de anillo de grafito, el cohete/misil de combustible sólido no tiene la boquilla tipo embudo como el motor de cohete de combustible líquido.
El grafito se caracteriza por una muy buena resistencia a altas temperaturas. Su punto de fusión es de 3652 ° C. El motor de cohete de combustible sólido está equipado con una boquilla de grafito anular. Incluso si se agrega un combustible auxiliar altamente explosivo como Octojin al combustible sólido, la llama la temperatura supera los 3000 ℃, no derretirá el pico.
Entonces surge la pregunta: dado que la resistencia a altas temperaturas de las boquillas de anillo de grafito supera con creces la de las boquillas de aleación de doble capa, ¿por qué los grandes motores de cohetes eligen boquillas de aleación de doble capa costosas y complejas en lugar de las boquillas de anillo de grafito?
La respuesta es que las boquillas de aleación de doble capa son más confiables. Aunque la boquilla de anillo de grafito es más resistente a altas temperaturas, tiene la desventaja de que es casi insoluble, es decir, es fácil de oxidar.
Las propiedades químicas del grafito son muy estables a temperatura ambiente, pero cuando la temperatura supera los 700 °C, se oxidará en el aire y la capa de óxido se desprenderá durante el proceso de oxidación.
Por lo tanto, la boquilla de anillo de grafito solo es adecuada para motores de cohetes pequeños con un tiempo de trabajo corto, como misiles (excluyendo misiles de crucero) y vehículos de lanzamiento pequeños, mientras que los cohetes grandes que funcionan durante cientos de segundos solo pueden usar motores de doble capa costosos y complejos. chorro de aleaciones.
La siguiente imagen muestra la etapa central del cohete reutilizable del “Falcon 9” en el aterrizaje vertical. Un cohete grande como este no puede usar un motor de combustible sólido, porque la boquilla del anillo de grafito se oxidará y consumirá continuamente durante la operación. Trabajo poco confiable.
