泰坦火箭发射美国宇航局双子座任务时为何出现孔洞?

泰坦导弹是美国空军的洲际弹道导弹,美国宇航局最终选择它在1964年至1966年间发射其过渡性的“双子座”计划。但仔细观察任何发射镜头,都会发现导弹的箭体上有孔洞。这似乎有悖常理,但与导弹的分级有关。

简单来说,分级是将载荷送入轨道的有效方法。大多数运载火箭不是一个巨大的单级火箭,而是多级火箭,它们利用动量来发射航天器或卫星。当火箭的第一级耗尽时,它会分离,而第二级会被点燃。少了一个级,载荷整体就减轻了,所以较小的第二级火箭可以将其推得更高。第三级甚至第四级会依次点火,将载荷送入预定轨道或目的地轨迹。

所有多级火箭在其发射程序中都有某种形式的分级,以确保各级按顺序点火,而不是同时点火,那样会以巨大的发射爆炸告终。但分级程序并非总是相同的。例如,“土星五号”火箭被设计成能检测到当前级燃料或氧化剂不足的情况,触发关机并点燃排空推进器和爆炸螺栓,将废弃的级与下一级分离,并在点火前与之保持安全距离。这正是下面图片中发生的情况:第一级正在坠落,而小型排空推进器在第二级点火前保持载荷的动量。

Apollo 11 First Stage Separation
美国国家航空航天局 (NASA)

第一代泰坦导弹,即两级的“泰坦一号”,工作原理类似。它也通过检测油箱中的燃料水平不足开始其分级程序。几秒钟后——延迟是为了让火箭的推力略微衰减——爆炸螺栓爆裂,切断了各级之间的连接。同时,第二级上的固体燃料分级火箭被点燃,将其沿着第一级后部内侧的导轨送出,使其与第一级和第二级之间的级间连接处保持物理距离。这些火箭也起到了排空推进器的作用,将推进剂推入进料管,使发动机从一开始就能强劲燃烧。

发射“双子座”计划的第二代泰坦导弹,“泰坦二号”,则有些不同。“泰坦二号”一切以简化为目标。这种导弹设计成加注燃料后储存在导弹发射井中,以便能够“一触即发”,这意味着它需要新的推进剂。“泰坦一号”使用煤油(RP-1)和液氧(LOX),必须在发射前立即装载,而“泰坦二号”使用肼类推进剂,可以安全储存并接触点燃。而且,“泰坦二号”上没有分级火箭或导轨。相反,第二级发动机的设计是在两级连接的情况下燃烧。

A Titan II silo launch
美国空军

当然,第二级发动机在仍连接在第一级上的情况下燃烧,意味着燃烧产生的热气体会直接喷射到火箭的箭体上。第一级不会有任何剩余燃料燃烧,但气体的积聚可能会导致箭体破裂。第二级中的燃料可能会引发爆炸,导致发射以一场灾难性的全面失败告终。

为避免发射的灾难性结局,“泰坦二号”在第一级的前端和级间设置了排气口。这些是十六个矩形排气口,在四个象限中每组四个。其效果是,在“双子座”运载火箭上出现了一个缺失的段落。

废弃的第一级推力衰减产生的动量足以将燃料送入进料管,为第二级发动机的清洁点火做好准备,而排气口则防止了在各级增加推力时产生危险的气体积聚。最终,第一级通过爆炸螺栓分离并坠落。第二级不受阻碍地燃烧,将其弹头送往目标,并成功将“双子座”载荷十二次送入太空。

资料来源:Vintage Space;David K. Stumpf 著《泰坦二号》。

 

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我的学术背景是科学史,但我从小就对太空飞行感兴趣,那是在我小学时,我看到了一张两个宇航员在月球上的卡通画。我把七岁时对阿波罗计划的好奇心转化为一名太空飞行历史学家和自由撰稿人的职业生涯。

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