【科普说】LIGHT ME UP

二

艰难的说服液氧煤油发生剧烈感情

对于非自燃推进剂组合，点火就不是那么容易了，需要用点火装置来点燃。液氧能强烈助燃，但是不可自燃！液氧和煤油接触通常也不能自燃，如果两种液体喷在一起，液氧的低温让煤油非常冷静，引起煤油的冷却并凝固。而且凝固的燃料和液氧的混合物对撞击非常敏感，在加压情况下常常容易转为爆炸，怎么办？？？

在这种情况下只能用初始点火热源的高温说服他们产生剧烈的化学反应。而三乙基铝是仅有的几种能与低温液氧接触即能燃烧的物质，所以它特别适合充当火箭发动机的点火剂。

（一）脾气暴躁的三乙基铝：三乙基铝常温下是无色无味的液体，对冲击和摩擦不敏感，与不锈钢和铝合金相处良好，但它与水或空气接触就发生剧烈的反应。由于燃烧产生的氧化铝是一种粘性固体，会堵塞细小的通道和孔，因此通常采用三乙基铝（15%）掺混三乙基硼烷（85%）的配方，与液氧一起反应能够提供满意的点火延迟特性，同时产生的残留物在可容忍范畴。

（二）顺便说说三乙基硼：刚刚说到的三乙基铝-三乙基硼（TEA- TEB）引火系统，三乙基硼是三乙基铝的“亲戚”，也很易燃，在航空航天领域已经使用了很长一段时间，曾用于引燃SR- 71“黑鸟”侦察机上普惠J- 58发动机的JP- 7燃料，JP-7是高燃点的燃料，普通发动机根本点不着，J-58发动机在启动后，要把这种助燃剂喷进燃烧室与燃料混合后才能实现点火。

三乙基硼结构式

SR- 71“黑鸟”侦察机

（三）液氧煤油的点火： TEA- TEB作为启动燃料，通常存储在燃烧室前燃料管路上的点火导管内，用膜片密封。液氧煤油发动机在启动时，在压力作用下，膜片破裂，启动燃料首先进入燃烧室与氧化剂自燃点火，利用启动燃料和氧化剂的燃烧热量使随后进入的主燃料与氧化剂点火燃烧。这样的点火方式可以实现单次点火，美国土星5的F1、苏联的RD170等液氧煤油发动机均采用这种方式点火。

RD170发动机

对于多次启动的发动机，采用阀门控制启动燃料的加注实现多次启动，SpaceX的梅林1D发动机就采用了可靠的TEA-TEB燃料加注控制实现了回收时的多次点火，这个大家在看Falcon9一级回收的时候可以稍加留意。

三

等等，这是真的有点----暴力实用主义，奇葩的32根“大火柴”的点火方式

肯定是毛子，对，确实是北极熊的暴力美学。

310吨的联盟号火箭的一级有五个主发动机——4台RD-107和1台RD-108，每个发动机有4个燃烧室，辅以12个小游机。这意味着在起飞时，总共有32个喷嘴需要同时点火。确保如此众多的燃烧室完美同时点燃并不是简单的事情，非常容易引起灾难性的爆炸。

为了解决这个问题，超级实用主义的苏联工程师发明了一种名为“火药点火装置（Pyrotechnic Ignition Device）”的装置（俄文PZU），该装置的主体是一种T形木棒，在每根棒的顶部装了一对双保险的电爆管（电流通过电阻丝引燃发火药），电爆管之间夹了一段黄铜线扎紧的弹簧的作为点火传感器。

“火药点火装置”的T型木棒

PZU配套一个非常罕见又奇葩的培训手册，在联盟号火箭竖立在发射台上后，技术人员从下方将T形木棒手动插入每个燃烧室中，20根“大火柴”插入20个主燃烧室，另有12根“小火柴”插入12个小游机，大大小小木棒插入喷管的景象非常壮观……虽然略显凌乱。

当这些电爆管在燃烧室内燃烧时，火焰烧断黄铜线，弹簧出鞘从而断开电路（有点像捕鼠器）。32根火柴并接在一起，燃烧后出现断路就表示都点燃了，这就是发射控制时产生的点火信号，这才打开推进剂供应管线上的阀门——简单粗暴。当然脆弱的木棒和电线在随后的地狱般的烈火中得以“永生”。

令人惊讶的是，简单粗暴的方式已经在数百枚火箭上工作了六十年，记载在案的仅有一次不灵光。真是高科技完败于泥腿子！！！

四

点火还需要接力----液氢液氧点火太难了

液氢液氧点火目前主要有火药点火器和电火花塞点火器两种。特立独行的欧洲流派的火药点火器采用电爆管点燃低燃速固体装药，实现主推力室点火，HM7和HM60均采用这种点火器；而美国、苏联、日本的SSME/RD0120/H2则用上了电点火器。

（一）欧空局喜好的固体火药点火：

采用电爆管（电流通过电阻丝引燃发火药）点燃低燃速固体装药,实现涡轮泵、主推力室、燃气发生器等启动点火,火焰能量大,工作2-10s,可靠性高,主要缺点是不能多次点火。

图为50年代美国红石导弹A7原始的固体点火装置，主要看看结构

图为HM60的三种固体火药点火器（硝酸铵）

然而，美国、苏联、日本并不看好固体火药点火方式，他们认为火药点火器有不少缺陷：

1、电爆管的电器组件需要有冗余度；

2、很多大的喷注器要分区，每个区块都要有单独的点火源；

3、火工品有苛刻的安全管理要求；

4、地面测试需要频繁装药。

于是电点火装置开始了研发。

（二）星星电火花能否点燃？——美、苏、日青睐的电火花塞点火器

电点火器有高压电容放电、低压电容放电、感应放电激励器三种。J-2液氢液氧发动机采用高压电容放电，电压超过27KV，50个火花/秒，每个火花360mJ，火花塞头部能量100mJ。航天飞机主发动机SSME采用感应激励器，75个火花/秒，头部能量10.5J。电火花可以直接点燃主燃烧室的推进剂，但对于J-2、SSME等室压较高的发动机力不从心，容易产生火焰猝熄现象。怎么办？

（三）火炬式电点火器接力放大：

电火花直接点火不仅不可靠，并可能因为火焰猝熄、推进剂积累而引起爆炸，因此更可靠的火炬式电点火系统应运而生。

火炬式电点火系统实际上是一个完整的微型前置燃烧室，小股氢氧推进剂（约0.1%～0.3%）先进入点火器的燃烧室中，电火花点燃后产生的火焰再点燃主燃烧室的推进剂。当燃烧室的推进剂点燃后，火花系统关闭，而点火器的燃烧室一直工作，为主燃烧室维持可靠的点火源（SSME/J-2/RL-10/RD0120/LE-7）

另外，还有更高科技的气动谐振点火、爆震波点火、激光点火等方式，篇幅有限，下次再谈。

文末送彩蛋，聊一些“小知识”：

01 乌龙点火

SpaceX的Falcon 9火箭一二级均使用复合材料的压力容器 (COPVs)来储存液氦，该容器内胆材料为铝，外面包裹一层碳纤维复合材料。而包裹在氦储罐外部的超低温液氧可以渗入碳纤维复合材料涂层。

为了增加燃料密度，Falcon9后续型号采用了预冷煤油至-7度，密度增大4%。不过SpaceX在这个方向上玩出了事情，液氧冷到接近液氧冰点（-218.4度）的-207度，密度可以比以前大8%。但在液氦的进一步冷却下，液氧开始结冰，复合材料压力贮箱的碳纤维断裂、移位并和固态氧摩擦产生的能量导致了2016年9月1日的事故——Falcon9火箭在燃料加注的过程中爆炸，星箭俱毁，损失惨重。

02 USB雷达跟踪正常

“点火！发射！”之后大家经常听到“USB雷达跟踪正常”这样的报告，那USB是什么呢？不会是我们计算机的USB接口吧？

当然不是！USB指的是一种无线电测量技术，无线电信号按波长分短波、超短波 、长波等频段，名称为UL、S、C、Ku等波段。 USB的U是“uniform 统一”的意思，USB=uniform s-band，就是统一S频段的测量控制设备。USB工作在2200～2400MHz波段，由天线、接收和发射机、后端基带设备组成。我国的USB航天测控网由西昌卫星发射中心、北京航天指控中心、西安测控中心、喀什站、青岛站以及远望测量船组成，主要完成对航天器跟踪测轨、遥测接收、遥控发令、话音和图像收发任务。

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