作者黄湘红段跃初

在人类探索宇宙的伟大征程中，火箭无疑是我们迈向浩瀚星空的“天梯”。而火箭发动机，作为火箭的“心脏”，其重要性不言而喻。当火箭点火发射的瞬间，那喷薄而出的强大推力，推动着火箭冲破地球引力的束缚，向着无垠的宇宙飞去。然而，在这激动人心的时刻背后，隐藏着一个令人惊叹的技术挑战：火箭发动机在工作时，需要承受高达3000摄氏度甚至更高的极端高温，这一温度几乎相当于太阳表面温度的一半 ，在如此恐怖的高温之下，普通物质早已化为气态，可火箭发动机却能奇迹般地保持完整并正常工作，这其中究竟蕴含着怎样的奥秘？

一、材料的突破与革新

（一）早期耐热材料的探索

在火箭发展的早期阶段，寻找能够承受高温的材料成为了科学家们面临的首要难题。当时，人们首先想到的是传统的金属材料，比如钢铁，然而，钢铁的熔点大约在1500摄氏度左右，面对火箭发动机产生的数千摄氏度高温，它就如同在烈日下的冰块，瞬间就会熔化变形，根本无法胜任。

随着研究的深入，科学家们将目光投向了一些熔点更高的金属，如钨。钨的熔点高达3380摄氏度，相比钢铁有了很大的提升。但在实际应用中发现，当温度接近其熔点时，钨的机械性能会急剧下降，变得脆弱易损，而且它的密度较大，会增加火箭的整体重量，不利于火箭的发射和飞行。

（二）新型合金材料的诞生

为了克服单一金属材料的局限性，科学家们开始尝试制造合金材料。他们将钨、铌、镍等稀有金属进行巧妙组合，制成了钨合金、铌合金、镍合金等。这些合金材料展现出了更为优异的耐高温性能，能够在1500 - 2000摄氏度的高温下持续工作，为火箭发动机的制造提供了新的可能。

以钨合金为例，通过在钨中添加其他元素，改善了其高温下的机械性能，使其能够在一定程度上承受火箭发动机产生的高温。但随着火箭技术的不断发展，对发动机推力的要求越来越高，这些合金材料也逐渐暴露出不足，在3000多摄氏度的极端高温下，它们依然难以长时间稳定工作。

（三）烧蚀材料的神奇作用

在耐高温材料的研究进程中，烧蚀材料的出现无疑是一个重大突破。烧蚀材料是一种由碳纤维、凯夫拉等耐高温、高密度纤维材料制成的特殊材料，它的工作原理十分独特。当火箭发动机工作时，高温热流作用于烧蚀材料，材料会发生分解、熔化、蒸发等一系列物理和化学变化，而这些变化过程会吸收大量的热量，从而达到冷却的效果。

与此同时，烧蚀材料燃烧后所产生的气体，会在发动机内壁形成一层保护性气体，就像给发动机穿上了一层隐形的“防护服”，进一步增强了对发动机的保护作用。这种材料不仅能够有效地降低发动机的温度，还能在一定程度上修复因高温而受损的表面，延长发动机的使用寿命。烧蚀材料被广泛应用于火箭发动机的燃烧室和喷管等关键部位，以及火箭返回舱的外壁、弹道导弹的弹头等，为这些部件在高温环境下的安全运行提供了可靠保障。

例如，在火箭返回地球的过程中，返回舱以极高的速度冲入大气层，与空气剧烈摩擦产生数千摄氏度的高温，此时返回舱外层的烧蚀材料就会发挥作用，通过自身的消耗来吸收热量，保护返回舱内的设备和人员安全。

二、精妙绝伦的冷却技术

（一）再生冷却：一箭双雕的智慧之举

再生冷却是大推力液体火箭发动机常用的一种高效冷却方法，其原理充满了智慧。液体火箭通常采用液氢、液氧、液体甲烷和煤油等作为燃料，其中除煤油外，其他燃料在液态时温度极低。以液氢为例，其温度可低至零下252.7摄氏度 ，这些低温液体燃料就像是天然的“制冷剂”。

在火箭发动机工作时，让这些低温液体燃料在进入燃烧室之前，先通过环绕发动机和喷嘴的管道进行多次循环。在这个过程中，低温液体燃料就像一个个勤劳的“热量搬运工”，它们充分吸收发动机和喷嘴产生的热量，实现了高效的热交换，从而有效地降低了发动机的温度。与此同时，吸收了热量的燃料在进入燃烧室前得到了预热，就像运动员在比赛前进行了充分的热身，燃烧效率大大提高，能够释放出更多的能量，为火箭提供更强大的推力。

我国的长征七号火箭就成功应用了再生冷却技术，它使用超过700吨的液氢和液氧来为火箭发动机降温，确保了火箭在发射过程中发动机的稳定运行，为我国航天事业的发展立下了汗马功劳。

（二）薄膜冷却：细微之处的强大守护

薄膜冷却是一种在发动机内部形成保护膜来抵御高温的冷却方式。具体来说，科学家利用少量的流体燃料在喷管内部进行喷涂，这些燃料会在发动机喷管内壁迅速形成一层极薄的薄膜，这层薄膜虽然看似脆弱，却有着强大的防护能力，它就像一层无形的“保护霜”，将喷管与高温燃气隔离开来。

由于这层薄膜的存在，火箭喷出的火焰与喷嘴直接接触的面积大大降低，从而显著减缓了热量传递的速度，有效地防止了喷嘴内壁因过热而熔化。这种冷却方式虽然使用的燃料量较少，但却能在关键部位发挥重要的保护作用，为火箭发动机的安全运行提供了有力支持。

有些发动机还会巧妙地利用燃气发动机的废气来进行薄膜冷却，实现了废气的再利用，既降低了成本，又提高了冷却效果，可谓一举两得。

（三）辐射冷却：真空环境下的散热之道

在浩瀚的宇宙中，几乎是真空环境，热量无法通过空气对流的方式散发，此时辐射冷却就发挥了关键作用。辐射冷却的原理是利用炽热物体能够向外辐射热量的特性，让火箭发动机的热量以热辐射的形式散发到太空中。

为了提高辐射散热的效率，火箭发动机的喷管通常会制造得非常薄。例如，猎鹰9号的梅林 - 1D真空版发动机，它的喷管采用铌合金制成，厚度仅有0.4毫米，如此薄的喷管使得热量能够更快速地以热辐射的形式散发出去，从而保证发动机在真空环境下的正常工作。同时，选择合适的耐高温材料以及在壁面上涂覆黑度0.85以上的高温涂料，也能进一步提高辐射散热的效果。

（四）多种冷却方式的协同运用

在实际的火箭发动机设计中，很少会单纯使用一种冷却方式，而是将多种冷却方式有机结合，相互补充，以达到最佳的冷却效果。例如，SpaceX的星舰火箭，它不仅运用了再生冷却技术来降低发动机的温度，还结合了薄膜冷却技术来保护喷管内壁，同时采用特殊合金将热量散发到太空，通过多种冷却方式的协同作用，确保了发动机在极端高温环境下的可靠运行。

我国的火箭在冷却技术方面也采用了多元化的设计思路，除了再生冷却和薄膜冷却外，还运用了轴向通风冷却。轴向通风冷却通过在喷口周围引入冷空气，利用冷空气与高温燃气之间的热交换来降低温度，有效地保护发动机免受高温损害。

三、优化设计降低热负荷

（一）喷口形状的巧妙设计

火箭发动机喷口的形状对其性能和热负荷有着重要影响。通过优化喷口形状，可以使燃气更加顺畅地排出，减少燃气在喷口处的滞留和紊流，从而降低喷口处的温度。例如，采用拉瓦尔喷管设计，这种喷管由收缩段、喉部和扩张段组成，能够使燃气在喉部达到音速，在扩张段进一步加速，从而提高燃气的喷射速度和效率，同时降低喷口处的热负荷。

不同类型的火箭发动机根据其任务需求和性能特点，会采用不同的喷口形状。例如，用于深空探测的火箭发动机，可能会采用更大扩张比的喷口，以提高燃料的利用效率；而用于近地轨道发射的火箭发动机，则会在保证推力的前提下，优化喷口形状以降低热负荷和制造成本。

（二）燃烧过程的精细控制

除了喷口形状，燃烧过程的控制也是降低火箭发动机热负荷的关键。通过精确控制燃料和氧化剂的喷射量、喷射速度以及混合比例，使燃料在燃烧室内充分、稳定地燃烧，可以减少燃烧过程中产生的局部高温区域，降低发动机部件所承受的热应力。

现代火箭发动机通常采用先进的电子控制系统，实时监测和调整燃烧参数，确保燃烧过程的稳定性和高效性。例如，通过传感器实时监测燃烧室的压力、温度等参数，控制系统根据这些数据及时调整燃料和氧化剂的供应，使燃烧过程始终保持在最佳状态，不仅降低了热负荷，还提高了发动机的推力和效率。

四、展望未来：持续探索与创新

随着人类对宇宙探索的不断深入，对火箭发动机性能的要求也越来越高。未来，科学家们将继续在材料科学、冷却技术和发动机设计等领域进行深入研究和创新，以进一步提高火箭发动机的耐高温性能和可靠性。

在材料方面，研究人员正在探索新型的耐高温复合材料，如陶瓷基复合材料、碳纳米管增强材料等，这些材料有望在保持轻量化的同时，具备更高的耐高温性能和机械强度。同时，对现有材料的改性和优化也将不断进行，以充分挖掘其潜力。

在冷却技术领域，新的冷却原理和方法也在不断涌现。例如，基于微纳技术的新型冷却结构，能够实现更高效的热交换；智能冷却系统可以根据发动机的工作状态实时调整冷却策略，进一步提高冷却效果和能源利用效率。

在发动机设计方面，借助先进的计算机模拟技术和人工智能算法，工程师们能够更加精准地优化发动机的结构和性能，实现更加高效、可靠的火箭发动机设计。

火箭发动机在高温下不被熔化的奥秘，是材料科学、冷却技术、优化设计等多方面技术协同创新的成果。这些技术的不断发展和进步，不仅推动了航天事业的蓬勃发展，也为人类探索宇宙的梦想插上了坚实的翅膀。相信在未来，随着科技的不断突破，火箭发动机将能够承受更高的温度，为我们揭开更多宇宙的奥秘。

作者黄湘红，教育学硕士，硕士生导师，副教授，湖南省科普作家协会理事，中国天文学会会员，湖南省天文协会理事

段跃初是中国科普作家协会会员、中国未来研究会会员

来源: 科普文讯