燃燒和爆炸都是釋放能量的過程,區別在於燃燒是一種緩慢釋放能量的過程,但是爆炸時瞬間釋放能量。
除此以外,還有一種介於燃燒和爆炸中間的能量釋放過程,就是化學燃料火箭的噴氣推進。
火藥是中國古代的四大發明之一,火藥發明了以後,不僅製造出了炮仗,還製造出了最原始的噴氣推進裝置~呲花。
呲花和炮仗的區別就在於呲花後面有一個可以把火藥燃燒的能量噴出來的口子,如果把這個口子堵上以後,能量釋放不出來就會爆炸。
所以噴氣推進和爆炸只有一點點區別,控制不好,火箭就會變成炸彈。
錢學森的導師馮.卡門在加州理工學院成立了一個研究火箭推進裝置的小組,最初這個小組只有幾個人。
火箭推進裝置涉及到機械設計、化學燃料配置以及數學計算,最初組員都是獨當一面的人才。
這個小組後來就發展成了著名的噴氣推進實驗室,也是美國宇航局NASA的前身。
最初的實驗過程中經常發生爆炸,巨大的爆炸聲響徹了加州理工的校園,其他的人給這個小組起過各種外號,其中最著名的就是“自殺小隊”。
液體燃料火箭一般都是雙組分,一種是氧化劑,一種是燃料。通常情況下是比較安全的,只有兩種情況會爆炸,一種是燃料和氧化劑混溶以後,不正常點火。還有一種是燃料洩露到空氣中和空氣混溶,達到一定的比例被明火點燃會爆炸。
“自殺小隊”最早使用的火箭燃料是酒精。酒精必須以噴霧的方式進入發動機的燃燒室,通常的情況下它是一個噴射盤,就像煤氣爐上那個噴嘴差不多,但是有很多的孔。
●下面這個裝置是著名的美國登月火箭土星5號F1發動機的噴射盤。
在燃燒室裡,燃料和氧化劑混合以後再點燃。
因為燃料和氧化劑不同,火箭的點火方式有很多種。
中國長征2號運載火箭使用的燃料是偏二甲肼,氧化劑是四氧化二氮。偏二甲肼和四氧化二氮混合以後會自動點燃,所以這種火箭發動機不需要點火裝置,設計簡單可靠耐用,但是偏二甲肼有劇毒。使用偏二甲肼燃料的火箭發動機常被稱為大毒發,現在慢慢被逐漸淘汰。
但是像酒精或者煤油這樣的燃料,點燃比較麻煩,需要額外的火源來點火。
這個過程是非常危險的,尤其是在早期的火箭發動機研製的時候,純粹靠手工和計時器來控制燃料的噴射和點火,經常會發生爆炸。
有的時候燃料和氧化劑噴多了,但是火還沒有點,然後又突然點燃了,大量的能量突然釋放出來。就像我們給煤氣打火一樣,前兩下沒有打著,後面大量的煤氣湧出來以後和空氣混合被點燃,然後就會轟的一聲。
在上世紀30年代,“自殺小隊”進行火箭發動機的研製實驗沒有任何經驗可供參考,操作錯誤爆炸是家常便飯。劇烈的爆炸經常炸燬實驗室設施,導致研究小組的經費大部分都在用來進行善後處理和維修傢俱上。
甚至有一次用來做氧化劑的四氧化二氮洩露出來和空氣中的水分反應形成了硝酸霧,瀰漫在整個地下室,把所有的儀器都腐蝕了。
加州理工差一點把做實驗的幾個人給開除,後來由於馮.卡門的努力,才讓他們搬到了一個河谷裡面去做實驗。
現代化的液體火箭的點火裝置,通常用電打火或者金屬鎂棒(類似於仙女棒那樣的裝置)來點燃。
早期的液氧煤油發動機需要用專門的點火車輛來點火,點火車的燃料罐裡面裝載著三乙基鋁或三乙基硼烷,或兩者的某種混合物。這兩種物質遇到空氣都會自然發出高熱量,土星五的火箭發動機F1就是使用這種物質點燃的。
像Space X公司的液氧甲烷發動機,由於燃料氣化性好,所以可以用電打火來點燃。但是液氧和煤油,必須用能夠發出高熱量的燃料才可以點燃。
就火箭研製體制上來說,液氧、煤油燃料容易儲存,但是發動機的研製比較困難,而且在不充分燃燒的時候,煤油容易積碳。
早期“自殺小隊”用來點燃液體火箭的點火裝置,原理和現代裝置類似,但是結構卻非常簡陋。根據“自殺小隊”成員回憶,火箭的點火裝置通常是放在木棍上的鋰劑,由於鋰劑在空氣中可以自燃,只需要做一個特殊的裝置,在火箭發動機啟動的時候讓鋰暴露在空氣中就可以了。
這樣原始的點火裝置,現在俄羅斯還在用了。聯盟火箭的點火裝置就是綁上了點火藥的木棍。
聯盟火箭一共有32個噴管,所以要放32個木棍。每個木棍上都有電線,等火把電線燒斷,就知道哪一個噴口具備點火條件,所有的電線被燒斷以後,就意味著火箭可以發射了,這個時候就開始噴射燃料。
錢學森加盟“自殺小隊”以後,發表了一篇題目很長的論文《噴嘴發散角度變化對火箭發動機推進力的影響;理想的火箭發動機運轉週期;理想的效率及理想的推進力;使用離散法計算燃燒室溫度》奠定了他在自殺小組中核心數學家的位置。
錢學森與他的老師馮卡門共同完成了空氣動力學的卡門~錢學森公式,在28歲的時候,錢學森已經成了世界上知名的空氣動力學專家。
一九四四年,美國噴氣推進實驗室成立,馮.卡門任主任,錢學森擔任火箭理論研究組長。
錢學森回國後,為中國火箭發展奠定了堅實的理論基礎,從此中國的火箭理論研究一直走在世界前列。