液體大火箭的燃料箱為何不會輕易被壓扁或者爆開?

瀚海狼山(匈奴狼山)在昨天的推文中提到,液體大火箭和液體洲際導(dǎo)彈的燃料和氧化劑的儲箱,都是獨立于這些火箭的發(fā)動機(jī)之外的。這種狀況和固體的大火箭,澆筑的燃料體本身就是發(fā)動機(jī)的燃燒室有很大的不同。那么這里就有了一個問題,就是大火箭燃燒消耗燃料和氧化劑是很快的。一般三到五分鐘之內(nèi)就會消耗完畢助推器和芯級里面的第一級的所有燃料和氧化劑。而7到8分鐘之內(nèi),就會消耗完畢第二級火箭內(nèi)部的燃料和氧化劑。而液體大火箭的燃料儲箱的外殼,為了減重其實都做的很薄。到目前都用防腐蝕薄金屬板制造。大部分儲箱壁的厚度只有5毫米,甚至有些只有3毫米。相對大火箭動輒3米到5米甚至最大到10米的直徑。3到5毫米的燃料和氧化劑儲箱的薄壁,其實比易拉罐的相對比例還薄。
那么為何沒有出現(xiàn)在火箭起飛初期,燃料和氧化劑開始大量消耗后,火箭仍然在萬米以下的低空,大氣壓力仍然很大,卻沒有把這些火箭的燃料儲箱壓扁的現(xiàn)象。而當(dāng)火箭飛到40公里以上的高空;甚至是150公里以上的外太空。外界的大氣壓已經(jīng)接近于零。也很少出現(xiàn)火箭燃料和氧化劑儲箱內(nèi)部的殘留壓力,把這些箱體的外殼鼓爆的現(xiàn)象?其實液體大火箭從二戰(zhàn)末期開始作為V2飛彈首次出現(xiàn),直到今天,燃料和氧化劑都有兩種主要的類型,這就是常溫常壓液體燃料和氧化劑;以及低溫加壓燃料和氧化劑。而V2飛彈用的燃料是酒精。這是一種常溫常壓的液體燃料;氧化劑是液氧。這是一種必須時刻加壓并且低溫儲存的氧化劑。因此V2飛彈從一開始,它內(nèi)部的儲箱,就必須適應(yīng)兩種性質(zhì)不同的液體。

常溫常壓的酒精怎么都好說。液氧就必須考慮確保壓力和保溫了。后來的液體大火箭和液體洲際導(dǎo)彈,用到了能量比較高,而且都是常溫常壓液體的偏二甲肼和四氧化二氮。還有其他更高檔的常溫常壓燃料。雖然比液氧容易保存,但是卻都有毒性。因此當(dāng)今又再次回到了煤油液氧機(jī)的無毒火箭。還有就是低溫高能的液氧和液氫火箭。低溫燃料和氧化劑都必須時刻保持冷卻和內(nèi)部壓力。要把液氧和液氫保持在液體狀態(tài),需要在降溫的同時加大內(nèi)部的氣壓。這就會導(dǎo)致大火箭內(nèi)部是低溫燃料和氧化劑時,是自始至終自帶壓力的。在發(fā)射前需要用泡沫等包裹保溫。同時儲箱要有一定標(biāo)準(zhǔn)的防止從內(nèi)部爆開的功能。會提前對儲箱做這類抗內(nèi)壓的試驗。因為內(nèi)部一直有向外的壓力,自然不用擔(dān)心在低層大氣中飛行時,儲箱會被大氣壓壓扁。只需要防止在高空飛行時,殘留的低溫燃料從內(nèi)部頂爆儲箱的可能。

不過火箭飛行都很快,不到10分鐘,大部分低溫燃料和氧化劑都會消耗完。因此即使少量殘余的液氧和液氫氣化,一般也不至于頂破儲箱的外殼。而對煤油等常溫燃料來說。在起飛前會對儲箱適當(dāng)人工加壓,因此也不會被大氣壓壓扁。而到了高空,里面的燃料已經(jīng)是懸浮顆粒狀態(tài),消耗的很快,內(nèi)壓迅速減小,最終也不會頂破儲箱的外殼。