火箭如何點火

【日本H3失敗原因】

日本H3失敗，原因是二級火箭沒點火！日本H3火箭失敗，就是因為二級沒點火！H3的一二級火箭分離后，箭體向二級發(fā)動機發(fā)送了點火信號，二級發(fā)動機也確實收到了信號。但是，重點來了，發(fā)送點火信號前后，電源系統(tǒng)出現(xiàn)異常，二級發(fā)動機就沒能成功點火。現(xiàn)在，還在調查究竟為什么電源系統(tǒng)異常。反正別整出來啥心靈控制的靈異力量就成。

【固體燃料發(fā)動機點火】

點火，就是把燃料點著。不點火，就像鞭炮不點捻，飛不起來。點不好還會炸。只有點火并且點好了，哐哐的燒起來，才能把火箭懟上天。

點火方式，咱們按固體燃料、液體燃料分開說。

先說固推的，看這個固體火箭發(fā)動機結構圖，大家容易理解。簡單說，這就是個空心圓柱體。

緊貼殼體外邊一圈，是推進劑藥柱，中間是空的，上邊是點火裝置。點火裝置一點火，噴出來的燃燒物，通過中間的燃氣通道，把兩側的推進劑藥柱給點著了?？粗唵?，實際復雜。這其中，最起碼包含了兩個小問題。一、點火裝置是什么原理？二、為什么要把藥柱做成中空的，而不是從一頭點起？

點火裝置。一般來說是在頂端?？梢杂秒妬睃c著一塊固體燃料，制造出來的高熱高速氣體吹出來。裝藥量大的，會用小型的點火發(fā)動機。這張圖，就是固體火箭發(fā)動機小火箭式點火裝置的典型結構，由絕熱頂蓋、點火燃燒室、點火藥盒、隔熱環(huán)及非金屬密封圈等組成。點火之后，燃燒產物高速噴出，迅速到達藥柱整個表面。

那為什么要把藥柱做成中空的呢？大家都知道，燃燒面積越大，燒的東西就越多，產生推力也越大。如果是個實心的藥柱，從一頭開始燒，顯然比做成中空的，從中間燒，面積要小，那中空肯定更好了。從一頭燒的叫端燃、中間燒的叫側燃。還有端側燃。

那新的問題又來了，中空是個圓柱形，是不是就好了呢？不是！火箭起飛的時候，重量最大，密度最大，推力應該也最大才是?？墒?，如果把中空做成圓柱形的，你會發(fā)現(xiàn)，反而是剛開始的時候，燒的側面積小，越燒側面積越大，因為圓的直徑在擴，對吧？別急，有辦法，把中空改個形狀。一般來說，是這樣的好像小星星的，有幾個角，當然未必是五角星這樣的，比如航天飛機的固體助推就是11個角。藥柱也不是從上到下，都是一樣的形狀，要根據任務實際情況來。還是以航天飛機的固體助推為例，它分成四段，一段是11個角，其它的像一個圓錐，中空是一頭大一頭小。

那藥柱的形狀怎么做出來呢？央視介紹過，把固體藥柱形狀修好，其實很難的，有個崗位被稱為火藥雕刻師，就是干這個的。操作不僅不可逆，藥柱表面的誤差還不能超過0.5毫米，并且還很危險！向這些雕刻師致敬！

【自燃推進劑組合】

液體燃料中，有一種組合，那是干柴烈火，一碰就著。就是常說的“毒發(fā)”，比如咱們之前介紹過的毒王俄羅斯的質子-M火箭。毒王用的燃料是偏二甲肼、四氧化二氮。咱們國家也有，大家熟悉的長二F也是。偏二甲肼和四氧化二氮，碰到一起，就好比青春懵懂的少男少女相遇，一碰就著，還反應強烈。既然人家一見鐘情、能自燃，也就不用別人給你扇風點火，自己就火了。

【俄羅斯木棍點火法】

有能自燃的，當然還有不能自燃的，比如液氧煤油、液氧液氫、液氧甲烷。那就得借助外力了，要不然扔根火柴進去，然后趕緊跑！其實，還真有類似的，用液氧煤油的俄羅斯聯(lián)盟號，彰顯戰(zhàn)斗民族個性，直接用木棍子戳進燃燒室點。就是這個東西，而且是32根，因為噴口實在太多了。四個助推器，用4臺RD-107發(fā)動機，每個上邊有4個主噴口，2個小噴口，這就24個了。芯級，一臺RD-108發(fā)動機，4個主噴口，4個小噴口。合起來，一共32個。

當然，這棍子，也不是路邊撿一個就成，選的都是上好的白樺木，做成倒T字形，叫做煙火點火裝置。

最早是上世紀50年代，為了點燃世界上第一枚洲際彈道導彈R-7發(fā)明的。聯(lián)盟脫胎自R-7，點火方式也就被繼承了。棍子頭上，有一對火藥，火藥中間連著一根彈簧夾著的黃銅線。同時，拉出來一根電線，進入到控制網絡。

點火的時候，兩頭一對火藥被點著，火焰會燒斷黃銅線，這樣電線的電路也就斷了?？刂凭W絡就會收到斷電的信號，當確認32個都斷電了。那就打開推進劑閥門，推進劑出來，呼呼就燒起來了。

聯(lián)盟火箭70多年，一直用這方法搞，簡單、粗暴、有效、可靠，隨便你哐哐造。不過，2016年3月有過一次狀況，當時32根棍子里滅了一根，所以發(fā)射中止。但這問題處理起來也簡單，換個木棍子，第二天就重新發(fā)了。

【化學點火（TEA-TEB）】

那是不是說，液氧煤油都得用火棍方式呢？當然不是，戰(zhàn)斗民族的戰(zhàn)斗性不是誰都能有的。還有化學點火的方式。

有些金屬有機化合物，比如三乙基鋁、二乙基鋅、三乙基硼，在空氣當中就能自燃，那要是遇見了液氧就更不用說了。

化學點火通常會采用15%三乙基鋁+85%三乙基硼的（TEA-TEB）秘制配方。這個配方是儲存在點火導管里的，點火的時候，他倆進入燃燒室，碰到液氧，自燃燒起來了。那隨后進入到燃燒室的液氧、煤油就燃起熊熊大火！美國土星5的F1發(fā)動機、蘇聯(lián)的RD170發(fā)動機，都用這種方法。獵鷹9梅林1D發(fā)動機，用的也是這個方法。但是獵鷹9要回收，發(fā)動機得多次啟停，那就不能一次性的把三乙基鋁和三乙基硼全放出來，加了個閥門，就可以實現(xiàn)多次啟動了。

前段時間，SpaceX的Crew6任務，臨發(fā)射前2分多鐘中止，就是這個點火系統(tǒng)出問題了，一個過濾器堵塞了，換了也就好了。

【火藥式、火炬式點火器】

說完液氧煤油，還有液氧液氫，這倆也不能自燃，所以也得有點火器，主要是火藥點火器和火炬式電點火器兩類。

火藥點火，是利用電爆管，就是電流通過電阻絲引燃火藥，點燃低燃速的固體裝藥，進而實現(xiàn)主推力室點火。

火炬式電點火器，相當于一個小型燃燒裝置。一般是由推進劑供應系統(tǒng)、點火室、火花塞點火系統(tǒng)以及噴管或者燃氣導管組成。一點兒氫氧放進去，火花塞點火，產生穩(wěn)定的燃氣流出去，點燃主燃燒室的推進劑。美國的RL-10、J-2發(fā)動機，日本的LE-5A、LE-5B、LE-7?用的都是這個。

火炬式電點火器能量高、而且可以重復使用，工作時間好調節(jié)、使用維護也方便。所以，不光是液氫液氧，同時也是可重復使用的液氧甲烷發(fā)動機理想的點火方式。

這個就是一種液氧甲烷的火炬式點火器，氧噴嘴和甲烷噴嘴同軸對撞，火花塞端面在兩個噴嘴的上方，在燃燒室內點燃，再噴出去點燃推進劑。?

【氣動諧振、爆震波、激光點火】

除了剛才說的這些主要的點火方式之外，還有其它幾種，很簡單的說下。

氣動諧振點火。在特定的氣動諧振條件下，將壓縮氣體的能量不可逆地轉化為熱能，形成高溫高能的點火源，點燃推進劑。具備可防靜電干擾、?可靠性高、?可重復多次使用、?重量輕等優(yōu)點。

?爆震波點火。把低壓推進劑氣體，送到預點火室，然后在小能量電火花或其他能量的激勵下，產生爆震波，爆震波沿著管路?迅速到達點火位置，點燃主推進劑。爆震波點火，簡單、可靠、?使用方便，爆震波溫度高，可以達到3000K以上。

此外還有激光點火，原理就是用激光去點火。