那些航空航天事实,说出来却难以置信

国际金属加工网 2018年11月21日

航空航天领域对动力的巨大需求是别的工程领域很难见到的,几百吨的客机要以接近音速飞行。或者几十吨的战斗机要以超过2倍音速飞行。再或者上千吨的火箭要克服地球引力进入太空。

但是因为对重量和油耗的敏感,又不能像汽车发动机,堆砌活塞气缸数量,加大排量或者装更大的涡轮,又或者像赛车一样牺牲寿命和可靠性来压榨出更大功率。

R-4360

TP400

大约 一样的重量 空客A400M的动力 TP400输出轴功率11000马力,而28缸71.5升排量的活塞发动机R-4360只有3500马力。当然他们相隔了半个多世纪。

航空发动机:

波音777的动力通用电气GE90,干重8.3吨。极限推力57吨,也就是127.9千磅,由GE90开发来的燃气轮机LM9000输出功率75兆瓦。

也就是超过10万马力,是一台大众高尔夫1.6发动机的将近1000倍。

更别提 它可以实现超过7万小时的大修间隔。

还没有女生手掌大的一片高压涡轮叶片,却赫然可以制造550马力。跟航天发动机比,这只是个手无缚鸡之力的小朋友。

虽然航空发动机功率巨大,但有些发动机承力部件,可能不像我们所想像的,牢牢固定在发动机上。

比如著名的CFM56发动机,它的风扇叶片是是通过榫头卡在风扇盘的榫槽中的。这种结构不独特,真正独特的是叶片榫头和榫槽之间是间隙配合,也就是留有空隙。

这种间隙会产生什么效果呢?用手拨动风扇叶片慢慢旋转时,由于重力作用,每片风扇叶片在接近十二点钟的位置会向轴心方向滑动,在接近六点钟位置时又向轴心反方向滑动,于是你会听到一连串清脆的嗒嗒声,这是一片片扇叶不断上下滑动撞击风扇盘的声响。

这看起来还没有家里的电风扇扇叶牢固,但是七十多吨重的空客320或者波音737,就是靠着两个发动机里一共七十来片松松卡在风扇盘里的叶片带上云霄的,而且还那么安全可靠。所以我们只能说,严谨周密的计算和实验,比我们的直觉更靠谱。

当然在发动机启动后,风扇转速很高,巨大的离心力会使得每片风扇叶片的榫头,都向外紧紧拉住风扇盘的榫槽,就不会有这种窜动和撞击声了。

但也正是因为这种独特的间隙配合设计,使得CFM56发动机的风扇叶片,要定期拆下来清洗榫头,并给榫头榫槽喷涂润滑剂,毕竟风扇叶片榫头和风扇盘榫槽间存在滑动摩擦,就有磨损的可能。

航天发动机:

阿波罗登月的火箭土星5号,起飞全重3000吨。一级火箭有5台巨大的F-1煤油液氧发动机,每台输700吨推力,而其干重只有8.3吨。

为了达到这么高的推力,5台F-1发动机每秒钟共烧掉将近13吨的氧气和燃料!

并在真空中以将近3公里每秒的速度喷出。

这么巨大的质量流。肯定不能像汽车发动机一样一个喷油嘴,它的燃烧室喷嘴是一个阵列。

为了在有限空间的燃烧室内烧掉更多的燃料,燃烧室压力不能太小。

比如航天飞机的主液氢液氧发动机SSME燃烧室压力206个大气压。

SSME和它的转生SLS火箭主发RS-25,为了实现这么高的燃烧室压。它的高压氢泵,输出57兆瓦也就是超过7万6千马力,再加上高压氧泵输出16兆瓦也就是超过2万1千马力。合计将近10万马力,将近100台布加迪威龙发动机的极限功率。

这只是泵的功率哦。

而它的体积一共才这么大,平均每1磅,450克的重量就能产生100马力轴功率。

而且这泵虽然工作在几万转,还不能用润滑油来润滑轴承,它的轴承是由零下一百多度的液氧润滑的。

再加其动力来自于预燃烧室,高热的贫氧燃烧气体推动涡轮,涡轮驱动同轴的泵。如果高热的未完全燃烧气体接触到纯氧,就直接爆炸了。这对涡轮泵的气密系统提出很大挑战。

它在燃气端和氧气端中间吹入惰性气体氦气来隔绝。

而最终实现的效果,它燃烧室内的化学能转化功率可以达到丧心病狂的数据。

比如阿丽亚娜5号的主发动机火神2号。117倍大气压的燃烧室压力。

燃烧室内化学能转化功率达到了每立方米85G瓦,是一台大众高尔夫发动机功率的超过一百万倍!

也是下图电厂发电功率的超过40倍。

2G瓦发电功率的电厂,Eschweiler

而F-1发动机1963年就已经交付NASA,SSME在1981年就首飞了,还是可重复利用的哦(虽然还是贵的要死)。

通用电气GE90是1993年首次运行的。

这些也都不是什么极度前沿的“黑科技”,算是航空航天领域的“日常”吧。

航天飞机:

1.航天飞机的气动非常差劲,降落时的下降率基本相当于跳伞运动员的自由落体速度,直到最后时刻才会拉平。与其说是降落,不如说是摔下来。

民航客机的下滑道与地面夹角大约3°,而航天飞机为20°。如果从民航客机的巡航高度开始计时,到落地只要三分半钟。

NASA训练宇航员时为了模拟航天飞机糟糕的气动,改装了一架湾流,飞行时放下起落架并在空中开反推。

航天飞机也没有副驾驶,可能NASA觉得这个称呼对精英飞行员是一种侮辱。坐在左边的是指令长(Commander),坐在右边的才叫Pilot。

2.SSME (航天飞机主引擎)的喷管内壁完全是由冷却管焊接而成,点火后内壁温度虽然高达600-3000K,但外壁温度低到可以触摸(最好戴手套,说不定反而会冻伤)。

喷管内壁是由1080根紧密排列的冷却管线焊接而成,焊缝总长可达数公里。

左下为冷却管线截面图,冷却剂为高压液氢。管线采用A286耐高温不锈钢,镀有保护层。每次飞行后会对冷却管线进行探伤检测,泄露威胁飞行安全的话会对喷管进行更换。

SSME推进剂流程图。推进剂经由低压和高压燃料泵加压,一部分送入图一中的喷管冷却管线,一部分送入主燃烧室冷却管线,进行热交换,最后送到预燃室燃烧。

SSME工作时,还有凝结的水汽缭绕在喷管周围。

3.这个很多人知道,但是蛮有意思的所以提一下。

美国的航天飞机安装火箭发动机,起飞时作为主发动机工作提供推力,降落时无动力滑翔。

苏联的航天飞机安装航空发动机,起飞时不工作,降落时可提供一定程度的机动能力。

航天飞机的菊花

暴风雪的菊花

暴风雪号航天飞机,此为原型机,尾部有四台AL31发动机,可自主从机场滑行起飞在大气层内飞行。

下部的两个喷管为变轨发动机,起飞过程中不使用。

但后来进行暴风雪计划中唯一一次无人太空飞行时并未安装航空发动机。

不过据说正式版本还是会安装两台航空发动机,无法像原型机一样滑跑起飞,但是可以在降落过程中有更强的飞控能力。

宇航服:

1.关于宇航服的减压很多童鞋可能认为,宇航员进行EVA可能只需要把舱外航天服往身上一套就可以出舱了,比如几年前的科幻电影《地心引力》...

然鹅事实完全不是这样的。

由于太空的外界环境是真空的,那么宇航服内外之间就会有极大的压力差,根据我们初中(大雾)所学习的知识,这个压力差会对宇航服产生惊人的作用力,这就会使宇航服膨胀,从而影响宇航服的灵活性,甚至使宇航员无法动弹。

为此工程师们想了许多的解决办法,

第一个解决办法是将宇航服做的很厚实,使它不会膨胀,但这样做肯定会增加宇航服的重量,这对于早期的航天活动来说并不是很友好,此外,这样做仍然会降低航天服的灵活性。

第二个解决办法就是降低航天服内部的压力,气压下降了,那膨胀什么的都好说嘛!但是,降了压之后人会出现类似于高原反应的症状,要解决这个问题就只能给宇航员吸纯氧,这样问题似乎就能够被“完美解决”,但由于人体血液中溶解了微量的氮气,如果减压前不排出这些氮气,在减压之后这些氮气会在血管中形成气泡,使人患减压病,而且大量气泡进入心脏是非常危险的...所以就需要在出舱前进行数小时的吸氧排氮以确保安全。

最后的结果是第一和第二种方案的结合,能够使得航天服内的气压维持在相对较高的水平(美国现在的舱外航天服内部工作气压30kPa,毛子的是40kPa,标准大气压是101kPa),但是在执行EVA之前需要进行几小时到十几小时不等的吸氧排氮。在航天飞机上是这样的:

STS-115任务中的出舱准备

而在国际空间站上,气闸舱是独立的,航天员只需要在气闸舱里睡一觉,就可以完成吸氧排氮了。

事实上现在还没有可以使内部工作气压达到一个标准大气压的宇航服,NASA在上世纪八十年代末尝试开发全硬壳的AX-5宇航服,这套宇航服通过类似于盔甲的全硬壳使宇航服内部的工作气压能够达到一个标准大气压,可是最后由于经费问题被迫下马。(挺像米其林的,不是吗)

AX-5宇航服样品

而就算舱外航天服加固又降压,有时还是会出事...

一个真实的例子就是人类最早的一次EVA———上升二号任务。在出舱任务中,宇航员Leonov在出舱后发现他的宇航服开始膨胀,这让他行动困难,并且膨胀的宇航服然他根本挤不进气闸舱狭窄的舱门。当时Leonov的氧气供给已经只剩下不到15分钟,于是他只能放掉他宇航服中的空气,当宇航服内的气压从正常的40kPa下降至不到27kPa,之后他才成功返回了气闸舱。这次事件后来被改编成了电影《太空第一步》,还原的还是很真实。

上升二号任务使用的舱内舱外通用宇航服,可见有些部位十分单薄

所以说现在的航天服虽然能够出舱,但是还不能应对突然的出舱需要,而随着NASA未来登陆火星任务的开展,全压力的舱外宇航服的研制又被提上了日程,毕竟火星的环境比月球要复杂得多,能迅速出舱开展活动能提高探索的效率,让我们一起期待吧...

2.关于看着很帅的喷气背包

对于宇航员背上的喷气背包,大家一定都不陌生,因为人类第一次使用喷气背包进行无绳系留太空行走的图片出现在了相当多的教科书中:

在STS41-B任务中由宇航员Bruce McCandless执行的人类首次无绳系留太空行走

而这张图中宇航员背部的那个装置就是我们所说的喷气背包,官方名称是“载人机动组件”,在许多的科幻小说或者电影中,这些喷气背包都拥有无与伦比的机动能力,一下子就能窜出好远,甚至在某部电影中一部喷气背包能让两个人从HST转移到ISS...

然鹅事实也完全不是这样...

由初中(大雾)学习的牛顿第三定律可知,要想在太空中稳定姿态或者移动,只需要要向外界喷出气体,而喷气背包也就是这个原理,通过向外界喷出气体来维持姿态和移动。听起来似乎很简单...

但是现役的喷气背包都是单组元推进系统,顾名思义就是推进系统只有一种“燃料”(虽然有些单组元推进剂是可以分解的,但是由于应用得少,所以这里不做介绍),但是单组元推进系统的“燃料”不会燃烧,“燃料”只是被储存在高压的罐子中,需要用的时候再喷出来。而喷气背包的“燃料”就是氮气,因为它加压储存后十分稳定而且容易喷出,但是由于高压氮气不能提供很大的推力,所以喷气背包的机动能力并不是很高——开始介绍的最早的喷气背包的速度增量只有不到25m/s,而使用完所有的氮气还需要好几分钟,所以利用我们高中学习的知识就可以知道喷气背包能够提供的的加速度是很低的。所以说,电影里喷两下就可以绕着航天飞机转两圈的画面都是不正确的...

所以有人肯定会问,那为什么不用双组元推进系统?

答案很简单,由于双组元推进系统有燃料和氧化剂,点火时会有燃烧,相当于一个小号的引擎,但是...您也看见了...它会有燃烧,而喷气背包和宇航服一般是一体的,宇航服如果让喷气背包产生的高温气流一烧,结果就可想而知了......而且,双组元推进系统的结构更复杂,很难塞进喷气背包中,所以综合考虑之后,NASA放弃了使用双组元推进系统的喷气背包。

所以综上所述,喷气背包的机动能力并没有大家想的那么厉害,甚至已经被简化为宇航员的舱外航天服背包上的一个模块(如下图),机动能力更低,而且一般都是在宇航员发生意外(比如意外飘离了航天器,但事实上很少进行无绳系留的太空行走)时进行自救的。

STS133任务中一次EVA的照片,舱外航天服背包的下部就是喷气模块

最初的三套“载人机动组件”都已经退役,存放在博物馆中,目前NASA还没有明确下一代专用喷气背包的建造。不过即使如此,它们也是我们太空探索史上的瑰宝。

但是喷气背包还是有许多用处的,它可以让宇航员摆脱航天器的束缚,将太空中的物体回收回来,比如这样:

STS51-A任务成功将由于上面级故障而停留在无用轨道的Weater 6通信卫星回收

STS41-C任务成功修复了故障的Solar-Max卫星,当时卫星动量轮故障,处于失控的三轴旋转中

(航空制造网)

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