火箭发动机如何承受3200°C的高温？

在航天器中使用的火箭发动机的燃烧室中，气体可以加热到约3200°C，大约是太阳表面的一半，肯定高于大多数材料的熔点。火箭发动机需要达到这个温度才能正常运行，但它们如何才能幸存下来呢？在本文中，您将了解用于防止火箭发动机熔化的冷却方法。

Engine Cooling --Why Rocket Engines Don't Melt | Everyday Astronaut

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火箭发动机室顶部有一个喷射器，用于在高压下将燃料和氧化剂泵入室。送入腔室的燃料和氧化剂混合并点燃和燃烧，产生巨大的能量。然而，如果没有任何措施，金属壁会融化。

1：散热器(Heat sink)

一种选择是加厚腔室壁。更厚的腔室壁充当散热器，在热气体熔化金属层之前降低整体温度。然而，在制造火箭时减轻重量很重要，因此重金属壁不能做得尽可能厚。此外，当达到所有金属的熔点时，它还是会熔化，因此不适合长期使用。

出于这个原因，散热器一般与机动推进器一起使用，这些机动推进器只能在短时间内运行，并且经常是脉冲的，使发动机有机会在脉冲之间冷却。但不适合持续运行几分钟的主推进发动机。

2：调整燃料和氧化剂比例（Ratio of fuel and oxidizer）

另一种选择是调整燃料与氧化剂的比例以降低排气温度。燃料和氧化剂总量完美反应的比例将释放尽可能多的热量，因此没有推进剂未燃烧。这意味着每个分子的每个原子都会与另一个原子反应以完全燃烧。这样做的结果是，您尽可能从化学键中释放出最大的热量，这在某些情况下会很好，但在处理火箭发动机时则不然。火箭发动机产生的热量越多，您就越需要冷却发动机以免融化，这并不理想。

这意味着火箭发动机的燃料与氧化剂之比与化学计量比略有不同。发动机的主燃烧室将倾向于富含燃料，因为这将具有较低的热负荷和较高的效率。

你也可以运行预燃器或富含燃料的气体发生器来保持冷却，这一点很重要，因为冷却旋转的涡轮机非常困难。涡轮机将根据其材料有一个设定的热量，因此需要改变燃料-氧化剂的比例以使其合适。涡轮机可以设计成运行富含燃料或氧化剂的发动机，如航天飞机的RS-25主发动机，其运行富含燃料，或苏联设计的NK-33发动机，其通过闭合循环预燃器运行富含氧化剂的推进剂。

3：烧蚀冷却 （Abrasive cooling）

烧蚀冷却是一种简单高效的冷却方法。这是一种利用汽化热的方法，与重新进入大气层的航天器使用的隔热罩相同。由具有高熔点的碳复合材料制成的隔热罩在高温下熔化该层并带走热量，防止高热量渗透到航天器中。火箭发动机的腔室和喷嘴的壁内有一层碳复合材料。

但也有一些限制，最明显的是这样冷却的发动机不能重复使用。有些发动机甚至无法在使用前进行全面测试，因为它会磨损烧蚀室壁。最著名的是，阿波罗登月火箭发动机在发射到月球表面将宇航员送回家之前，无法作为一个完整的单元进行试射！

4：再生冷却（Regenerative Cooling）

再生冷却是阻止液体燃料火箭发动机熔化的最常见方法。这种方法需要在通过喷射器进入燃烧室之前，使部分或全部推进剂流过燃烧室和喷嘴的壁。虽然火箭发动机的壁和喷嘴看起来很薄，但实际上壁上有一些小通道，燃料可以通过这些通道来保持冷却。

通过发动机壁内的薄通道泵送推进剂，吸收从主燃烧室和喷嘴通过金属壁传导的热量。

这对火箭发动机来说是一大突破，因为这种方法允许火箭发动机或多或少地无限期运行。

但是再生冷却的挑战之一是壁内的压力需要高于腔室内的压力。然而，狭窄壁内的高压会导致泄漏。

5：薄膜冷却 (Film cooling)

发动机冷却的下一个常用方法是薄膜冷却，薄膜冷却亦称 “气膜冷却”，简称“膜冷却”。这种方法是在燃烧室和喷嘴表面与热燃烧气体之间注入流体。由于流体是气体或液体，这可以用液体或气体推进剂来实现。这样做的目的是在壁和热燃烧气体之间形成一个边界，该边界将作为隔热层，两者之间有一个较冷的流体。使用这种方法，无法获得反应所需氧化剂量的燃料在外周流动，并通过将相从液体变为气体来吸收热量。

6：辐射冷却(Radiative cooling)

SpaceX的“Merlin” 真空发动机和火箭实验室的“Razaford” 真空发动机都会发出明亮的红色，因为金属会变得非常热，并将热量散发到太空中。这类似于太阳通过真空传递热量的方式。“Merlin”和“Razaford”的喷嘴延伸部分通常由非常薄的金属制成，可以承受高热负荷，例如铌合金。

但是，它的缺点是很脆弱，因为它非常薄。此外，由于铌与氧气具有高度反应性，因此这种发动机在现实中只能在真空环境中运行，并且在制造过程中需要进行复杂的工艺处理。