【转载】口述科大:用自制小火箭人工消雹

1958年,当我接到中国科技大学入学通知书时,那种激动的心情是难以言表的。50年来,我与母校一道成长,从学生变成教师,在此度过了50年。作为一所学校,50年还很年轻,“十年树木,百年树人”嘛。而我却已从一个十几岁青年不知不觉地“老之已至”。
在这里我仅回忆一次难忘的经历。那是1959年暑期,也就是我大二那一年,我和徐庆祥、韩文成、韩金虎、宋天顺等几人随同大气所几位老师去兰州郊外用自制小火箭进行人工消雹试验的事。
在此前的一年中,近代力学系的10多位同学成立了研制小火箭的课外活动小组。当时我们刚刚入学不久,不用说没有关于火箭的专业知识,就连数理化的基础课也还没有上完。凭的仅是两本在市面上买的科普型的小书,一本是苏联的《火箭技术概论》,另一本是日本关于探空火箭制作方面的书。但是同学们初生牛犊不怕虎,勇于实践,不怕失败,屡败屡战,最后终于试飞成功。
关于小火箭小组的兴衰史,蔡有智(小组组织者和领头人)和朱滨(小组的骨干)会有翔实的回忆,其中也有不少趣闻轶事。例如,一次试飞以后小火箭落在了校西门外的一间民房上,把屋顶撞了一个大窟窿,好在火箭的尾翼卡住了没有掉入屋内伤人,否则会酿成大祸。后来是周飞彪和我去替人家补屋顶。从此以后学校再不允许在校外附近做试验。
借此机会我想写几句话纪念已故去的刘国义同学,他入校前已是六级车工,技术精,悟性高,是火箭的灵魂和心脏部件——固体火箭发动机——研制成功的主要技术骨干,并且还培养了几名同学学会车工。小火箭研制成功,他功不可没。
经过不到一年的努力,小火箭已基本成功,我们就想为它找出路、找应用,几经讨论,定位为人工降雨、消雹小火箭。于是才有了上述和大气所合作的兰州之行。那学期期末考试刚结束,我们立刻投入紧张的准备,加班加点赶做了100支小火箭。然后兵分两路,大部人马由蔡有智带队,在八达岭长城脚下摆战场,继续小火箭的试验。
我们的小分队由大气所巢纪平老师带队乘火车直奔兰州。在兰州分院住了两宿,作些上山的必要准备。我们把帐蓬、小火箭弹体、发射架和自己随身带的行李等搬上了一辆大气所专门用于野外作业的苏制越野大卡车上,就出发了。目的地是兰州附近的一座海拔3000多米高的山,名字可能叫马安(音)山。路很不好走,汽车一路颠颠簸簸,傍晚在一座破旧的山神庙住了一晚。在地上垫些稻草,把帐蓬打开就当被盖,大家挤在一起和衣而卧,说说笑笑,很有意思,这比林冲“风雪山神庙”的情景要浪漫得多。
次日,汽车不能再往上开了,我们每人背上行李和器材途步登山。这里海拔已经很高了,开始时不觉得怎样,越往上越是气喘吁吁,半路上有山上的同志来接应我们,减轻了我们不少负担,等到了目的地已是中午了。那里原是一个高山军用养马场,后来废弃了,有一座破旧的马厩和几间小屋。大气所在那里设了一个气象观测站,每天都要放探空气球。我们是住在搭起的帐蓬里,每人还发了一件棉大衣。
时值夏天,这里却如民谚所说:“早穿棉袄午穿纱,围着火炉吃西瓜”。兰州一带盛产水果,宋天顺是甘肃本地人,沿途在车上他指给我们看农家栽的果树,苹果、柿子什么的,这里还盛产有名的白兰瓜,我是第一次吃到。更让我惊奇的是大片大片地种着蒜苗,远看我还以为是麦田。在山上的那几天里,经常吃的菜就是一大脸盆蒜苗。
这里有一大片高山牧场,军马没有了,但仍有老乡的马在这里放牧。早晨起来,但见山腰间一片云海,波涛翻腾,很美。山上天气变化大,是冰雹的多发区,所以选择这里做消雹试验。每天我们将事先装入发射药的燃烧室拧紧喷管,装入弹体内固定好,再在弹头内装入碘化银或氯化钠。碘化银做催化剂最好,但价格贵,后来就改用便宜的氯化钠。最后装上发射架和弹头后引爆导火索。
每天我们背上发射架和小火箭,爬到住地对面的一个山头上,就是设定的发射地。试验时在发射架附近挖了一个掩体,为点火的人躲避用,远处再设一个观察站。点火用的是导火索,不是电点火,山上风大、雾气重,火柴不易划着,我们最担心的是中途导火索熄灭或者燃烧室破裂,这有一定的危险性。因为我们要连续发射几支火箭,中途只要一支出了问题就影响发射和试验效果。
大气所的老师们主要采集雨滴样本,分析试验效果。我们的主要任务是保证发射成功。根椐气象情况,有经验的气象人员和当地老农能看出什么情形要下冰雹,有时上午去做一次试验,中午回来吃午饭。有时下午去做一次试验,黄昏回来。如此试验了好多次。基本上完成了预定的计划。我记得事后巢纪平老师还给同学作过一次学术报告,谈到这次试验。
对于大学低年级学生参加科研活动,这种做法是有争议的。不过,这是在大跃进大背景下的特殊产物。就我个人而言,我觉得是有失有得。前两年基础课特别重,而且都是大师级的老师授课,虽然没有缺课,考试成绩表面上也不错,但许多是囫囵吞枣,没有很好消化,这是失。培养了团结合作精神和动手能力,火箭小组又分内弹道、外弹道、战斗部等小组,麻雀虽小五脏俱全,难道不是一次科学工程的最初实习吗?对我后来的学习和工作都有潜移默化的影响,这又是得。中科大近代力学系现在的学生三年级以后大多进入各实验室,这是绝对有好处的,这个优良传统应予保持和发扬。
(作者系中国科技大学58级学生)
作者:尹协远 来源:科学时报 发布时间:2008-6-17 7:33:13

Qu8k研制纪实中文版《啸震长空》由我局编译完成,科新社出版

《啸震长空》是一本非常不错的入门读物,通过对QU8K火箭的研制过程进行讲解,使读者能够非常愉快的了解探空火箭的基本知识。

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美国航天爱好者德里克•德维尔参加卡马克挑战赛的作品“Qu8k”探空火箭取得了惊人的成功,同时空前详细的报道了火箭的研制心得。这些资料对于国内航天爱好者来说具有极高的参考价值,同时也非常适合广大科技爱好者了解美国的科学文化。为了便于国内爱好者阅读,科创航天局组织有关专家将德里克•德维尔撰写的研制纪实翻译整理,并得到原作者授权,由科新社出版,希望大家喜欢。
本书第一章到第四章第一节由罗澍翻译,第四章第二节到结尾由姜龙翻译。徐方鑫、孔祥亮对单位和数据进行了校对,同时整理了全部译文。刘彦君对全文进行了校对。刘虎对译文进行了推敲和修改,对全文进行改写和润色,并担任全书编辑。编者对书中图片的数量、位置做了较大调整,部分图片引自原作者的网页。
感谢胡彬彬向我们推荐这部佳作的英文原版。
本书提供给航天爱好者学习使用,也可供其他感兴趣的人士参考。
由于我们水平有限,译述中出现纰漏在所难免,欢迎大家批评指正。

刘 虎
二〇一三年二月九日


Qu8k
Derek Deville
United States of America
November 27, 2011
* * *
啸震长空—Qu8k探空火箭项目纪实
原著者   [美] 德里克•德维尔
译述者 姜  龙 罗  澍 刘  虎
校审者 刘彦君 徐方鑫 孔祥亮
编    辑 刘  虎
封面设计 王志安
科新社 二〇一三年二月

2011年11月30日上午11点8分,Qu8k火箭(发音“Quake”,震动的意思,也是本书中文名称的来源——编者)在内华达州黑石沙漠成功发射。火箭完美的垂直加速上升,在0.3s内脱离了发射架,加速度峰值达15g。火箭在10.5s内爬升到5.18km的高度,此时最高速度达到了976.8m/s。在这之后,火箭又靠惯性爬升了80s。降落伞展开前,最高高度达到36.86km。

在最高点时,Qu8k已经穿越了99%的大气层,因此虽然时值正午,箭载摄像机拍摄到的天空却是黑色的。两部箭载摄像机都拍摄到了在蓝色大气层边界的色彩衬托之下,显得分外清晰的地球弧线(图1)。摄像机还拍到了内华达州西北部沙漠及周边地区的壮观景象,视野一直拓展到太平洋。

飞行90秒后,Qu8k的降落伞成功展开,火箭在7分钟后降落至地面。着陆地点距离发射点仅有5.15km,整个火箭完全回收,可以简单修复后再次飞行。

按照卡马克挑战赛的规则,GPS应当能获得超过十万英尺(30.5km)的读数(因此该竞赛又被称为十万英尺挑战赛——编者)。然而,Qu8k虽然装备了4套独立的GPS系统,却没有一个能在高加速度和高速运动状态下维持位置锁定。尽管如此,根据加速度计的数据以及视频记录的到达最高点时间,有极大把握确定飞行高度达到了36.86km,即约12万英尺。

阅读全文:

http://pan.baidu.com/share/link?shareid=3752975997&uk=3039683233

下载链接:啸震长空-qu8k探空火箭项目纪实

原帖:http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-54564-1-1.html

液体发动机地面试验事故(1201号事故通报)

2012年5月,贵州局在进行液体火箭发动机地面试验的准备工作时,发生一起大事故,现将事故情况通报如下。

事故概况:

甲、乙、丙三人在开阔地进行液体发动机地面点火试车的准备工作,该发动机采用浓缩过氧化氢-煤油推进剂系统,燃料挤压供应,氧化剂采用催化分解。试验人员依预订程序关闭氧化剂、燃料阀门,对氧化剂储槽加压到7MPa,拟在不送燃料的情况下,进行氧化剂输送系统的带压冷流测试。这种试验理论上危险性很低,因此甲乙丙三人站在发动机一侧,距离约1米的地方,使用遥控操作输送系统开机和调节流量。在甲按下开关的瞬间,发动机发生猛烈爆炸,靠近燃料喷注器侧的钢制发动机机体粉碎,法兰盘炸碎,催化床飞散失踪。靠近喷口一侧的约一半机体向反方向飞出十余米。

事故造成一人轻伤,两人轻微伤,并造成一定财产损失。甲颈部被破片击中,形成两处长约5厘米,深约0.3~0.5厘米狭长创口,缝合8针。乙口腔被一颗稀土陶瓷催化剂颗粒击中,颗粒深入组织内部,经手术取出。丙脚部被破片划伤血管,造成一定量出血。甲左侧耳朵听力受损,尚待听力鉴定。现场地面密布弹坑,附近一15mm钢管被破片切断,试验设备炸毁。

事故性质:自然事故。

事故级别:大事故。

事故原因分析:

事故发动机为采用再生冷却的钢制发动机,机体材质为40Cr,设计工作压强3MPa,耐压大于20MPa。事故发生前两天曾进行过一次小流量地面试车,未发生异常。在小流量试验时,氧化剂先用尽,因此关车后,燃料储槽中还剩大约200ml煤油。在事故发生前,未放尽燃料储槽中的煤油,也没有对发动机进行吹扫或清洗。本来此时发动机内是不存在煤油的,但是在事故发生前,为检查燃料节制阀的状态,在燃料储槽泄压的情况下,手工启闭过几次阀门。此时少量煤油(估计在几毫升到十几毫升量级)依靠重力滴入燃烧室。

在从实验室搬运发动机到试车场地的过程中,发动机发生倾斜,出现喷口高、氧化剂喷嘴低的姿势,使少量煤油逆流进氧化剂催化室。在搬运过程中,丙发现发动机外有少量液滴滴下,告知了其余人员,未引起警惕。发动机安装完毕后,按计划应进行燃料输送系统的试验,确保氧化剂输送系统可靠工作。试验步骤是:为氧化剂储槽加压到规定压力,然后单一开放氧化剂节制阀,使少量氧化剂进入发动机,催化分解产生氧和水;使用电动控制装置调节氧化剂阀门,控制氧化剂流量,观察喷气是否平稳、正常。该实验理论上没有爆炸风险,以前也多次重复进行,均未发生异常。但是该发动机氧化剂输送系统在设计上存在缺陷,即通电瞬间,调节阀操控电机必须短暂复位,而复位点为半开启状态,该过程持续约0.5秒。复位完成后,调节阀回到预设位置,一般预设为关闭位置。

在进行氧化剂输送系统测试之前,因试验理论风险很低,故没有清场。试验开始后,首先对输送系统上电复位,就在这0.5秒之内,大约40ml体积的92%过氧化氢在高压下注入发动机,立即与催化床上的煤油催化反应,形成高压或液相爆轰,导致猛烈爆炸。

本次事故的因素链包括:前次试验未吹扫——前次试验后未放空燃料储槽——事故之前手工检查燃料阀门时未截断燃料供应——倾斜搬运——发现液体异常滴落时未检查原因——氧化剂输送系统缺陷——未清场。

事故教训:

1、提高安全意识。
2、对每个环节的安全风险做充分估计,不放过任何安全隐患,必须改进后再实验,绝不能带病上马。
3、发现任何异常必须高度警惕,反复检查、论证,未查明原因和充分防范后果前,停止进一步试验。
4、凡是有氧化剂进入发动机的试验,必须清场。氧化剂、燃料加压前是否必须清场,另行论证。

(撰文:刘虎)

事故发动机

爆炸前

爆炸后

 

附:对本次事故的扩展认识

世界航天史上有多次人员近距离检修带推进剂的发动机或航天器时意外起火或爆炸的伤亡事故。

苏联P-16(SS-7),违章带推进剂检修第一级时第二级点火,战略火箭军司令等160人遇难。
(世界航天史上最严重的事故)
http://news.163.com/07/1026/15/3RO6EN6H0001124J.html

戚发轫回忆:风云2号在厂房里爆炸(实际上是固体发动机意外点火),1人遇难。
http://news.sina.com.cn/c/2010-07-15/060420681401.shtml

美国私人公司Scaled Composites太空船2号的固液混合发动机在地面测试中爆炸,3人遇难。
http://news.sina.com.cn/w/2007-07-28/130112287502s.shtml
注意图片,不仅发动机爆炸,整个氧化剂N2O储箱都爆炸了,现场一片焦黑。
事发时,研究人员正在测试一氧化二氮在发动机喷射器中的流动。

太空船2号的事故案例与本次事故类似,也是氧化剂系统冷流测试中意外爆炸。其原因在一些版本中疑似为N2O受到压缩冲击,触发自分解爆炸反应;当然也不排除易燃物沾染的可能性(有多起由于易燃物沾染引发的氧气厂爆炸案例)。高浓度H2O2与N2O具有类似的自分解爆炸性,本次事故没有波及到高浓度H2O2储箱实属万幸。

由于带推进剂操作时人员距离太近,仅靠防护措施很难实现本质安全。
此类操作应尽可能减少,只要有可能就改为遥控操作。
对于必须进行的带推进剂安装调试,从本次事故看,仅凭简单的记忆安全操作常识难以有效覆盖事故链。宜在操作前编写一份作业指导书,列出正常的操作流程和可能的异常情况、危险因素后再进行操作。

固体火箭由于氧化剂和燃料预先混合,带推进剂的操作涵盖了从混合药柱原料到试车的全过程。向发动机内安装药柱和点火药的组装过程较为危险;而对大直径药柱进行机械加工时产生的易燃切屑、扬尘(及其沾染机床遗留的隐患)容易被忽视。(刘彦君)

附:科创航天局事故分类

责任事故:违反安全规程、通用禁忌,或显然可以预见事故及其后果并且可以采取而未采取防范措施导致的事故。

自然事故:在排除责任事故的前提下,因对科学规律、技术矛盾缺乏掌握或公知的理论存在缺陷而无法预见,从而难以避免的事故。

技术事故:在排除责任事故和自然事故的前提下,因技术条件所限,尚无有效预防措施,难以避免的事故。

YT-3发动机爆炸原因分析总结(1)金属结构

作者:刘虎

万户一号第一级装备的是YT-3发动机。该发动机试验机共生产四套,工作五次(其中一枚重复工作一次),有二次成功工作的记录,三次失事爆炸的记录。爆炸原因是多方面的,既有燃料燃速超出预期,也包括发动机耐压不达预期。本帖仅分析发动机金属结构的原因。

YT-3发动机为内径50mm,壁厚2.55mm的铝合金管式发动机。两端承压结构用45号钢车制,采用径向螺栓连接,螺栓12颗均匀分布,螺栓规格4mm,丝扣长约2.5扣。

壳体铝合金标称牌号6061,T6。
密度:
屈服强度:
从断口情况看,该铝管的质量不佳,能否达到6061T6的标称强度,有待检验。

破坏情况:

裂口在靠近头部一端最大,破坏最明显。12.18试验,头部完全破坏;10.17试验,头部裂开,承压结构未飞出。两次试验,均在靠近头部的三分之一位置处破坏最大。

查见螺栓连接处有明显滑动或形变。头部见铝管圆孔变形,沿轴向拉成椭圆。尾部(喷管)见喷管承压结构与铝管错动,向外到达螺栓活动极限位置,圆孔轻微变形。

头部承压结构,螺栓孔折弯,部分丝扣破坏或被拉光。

12.18试验发动机的大裂口明显呈不同的两层裂痕,一层光滑,另一层粗糙。另一侧裂口内显示显著瑕疵,瑕疵靠外为断裂痕,靠内为整齐界面,有氧化物附着。综合判断,两处应均为原有瑕疵。

10.17试验,裂口处未发现焊缝,但是裂口最大处有明显拉薄现象,有两处长30mm左右的Y字型断面呈刀口状,外侧有灼热氧化痕迹,内侧有高温形变痕迹,为最初破坏点。发动机爆炸后飞出,撞击发射架,在该处留下切痕,本应具金属光泽,但现已氧化变色,说明爆炸时温度很高,应为高温失稳破坏。两处最初破坏点的Y字形中点距离两端的分别为145mm和143mm,正好位于药柱分段接头处,证明上述判断正确。裂口两端为撕裂状,判断螺栓处系沿大裂口撕裂,不是最初破坏点。未破坏的部分,见一条内外侧均有的痕迹。

计算(拔刀斋):

按6061-T6管材的技术数据,算得该铝合金管的理论破坏压强为25MPa。

按屈服强度数据,得螺栓压强达270MPa时,螺栓处铝合金发生破坏。按此计算该发动机极限耐压为13.7MPa。

当发动机内部压力为13.7MPa时,每个螺栓受剪力为:2252N,约230公斤力,螺栓不会被剪断。

讨论:

发动机设计工作压力为6MPa,指喷管收缩段起始处的压力。实际头部压力应高于6MPa。按工作压力5倍选取耐压值,试验压力应达到30MPa。铝管的理论耐压能力与之接近,而螺栓处成为薄弱点,残骸可见螺栓处破坏较大,也证明了这一点。
如果管材质量尚好,更可能发生的情况是头部剪切飞出,铝管基本完好。事实于此相悖,高度怀疑管材质量问题,从显著瑕疵可以判断,该管材为劣质管材。
发动机点火后温度会上升,铝合金外壳强度会下降。隔热保温措施是否充分,以及工作温度下的强度是否满足要求,均应检验。

结论:
12.18试验
1、发动机金属结构设计有误,螺栓太细,丝扣太短。
2、劣质管材。
3、缺少试验项目(水压试验)。

10.17试验
1、发动机金属结构设计有误,螺栓太细,丝扣太短。
2、耐热不足。(应为隔热不足,但在金属结构这个角度看,就是耐热不足了)
3、疑为劣质管材。
4、缺少试验项目(水压试验)。

两者皆有
1、第一次试验爆炸后,未彻查原因。
2、装药方式有误。铝管采用分段装药,应当外加隔热层保护分段处,而两次均未加装。

12.6试验发动机残骸

12.18试验发动机残骸

发动机喷管,其它试验残骸,头部(12.18)、尾部(12.6)印模。

玉兔2A型火箭首次发射点火不成功原因分析

玉兔2号火箭首次实效发射试验中,点火不成功,火箭没有离开发射架。

现象:点火后发动机立即发火,发出一声喘气声,并喷出少量火焰,持续约2秒,随后熄火。

点火方式:等离子弧点火。

燃料:高氯酸铵—环氧树脂(RAP),含增塑剂。发动机为高强度合金钢材料。

试验前对该发动机使用的燃料抽样进行了开放点火试验,没有发现任何异常,燃烧充分、均匀,产气量大,无烟。

对故障发动机进行了分析,X光片(图1)显示,只有最靠近喷管的药柱被点燃,烧掉一个圆锥状药层后熄火。

(图1,工作后的发动机,高感度X光片,2mA,100KV,5min)

燃料质量虽然有一些瑕疵(图2),但不论是图1显示的瑕疵,还是图2显示的瑕疵,都不足以引起点火不成功。

(图2,第二行为工作后的药柱,2mA,65KV,5s,实际上除靠近喷管处的一节之外,其余药柱均未点燃)

燃料表面镜检,应该说是基本均匀的(图3),虽然有一些数十微米级别的大粒AP晶体碎片(图4),但也不足以引起点火不成功。

(图3,100倍镜检)

(图4,400倍镜检)

可以看到,药柱有少量瑕疵,按照以往经验,瑕疵可能导致燃料爆轰或发动机内压超过耐压而爆炸,但这些瑕疵不会引起点火不成功。

有一节药柱有较大缺陷(图5),但是点火并呈现锥形的药柱并不是这一节。其它药柱未发现类似缺陷。
(图5,药柱端面)

为了彻底找到原因,进行了地面试车试验。当采用0.5克左右的强力点火药粉制成点火头进行爆燃式点火时,点火药粉所在的燃料段正常燃烧,推力达到设计值,马赫环出现(图6)。其余燃料段缓慢燃烧,冒出亮黄色火焰,无推力(图7)。

(图6,点火后约0.5秒)

(图7,点火后约8秒)

结论:综合各方面因素,排除药柱瑕疵、发动机瑕疵、点火装置故障导致点火不成功的可能。该次试验点火不成功,是因为点火方式与燃料形式不匹配导致的。

作者:echo,虎哥,SS,焓熵,咸鱼,猴子,拉风,神话,风云等

RAP燃料是一种性能非常出色的燃料,但是工艺难度非常高。在图2最下面一排左起第三个药柱上,内孔上部阴影区域表示捏合不均,而捏合与固化是矛盾的,固化与真空排气也有矛盾。因此还需在工艺流程方面做进一步的完善。玉兔2号的航电部分在试验中工作正常。(撰文:刘虎)

讨论:http://bbs.kechuang.org/read-kc-tid-35590-fid-156.html