飞乐乐 为什么冒黑烟？长征十号乙回收成功，火箭确实也“烧煤”

7月10日，我国在复用火箭领域迈出极为关键的重要一步，长10乙的一子级可控回收获得重大进展。在此基础上，相关研制团队已对外证实，将在持续优化火箭总体性能的基础上，加快长征十号乙火箭的重复使用进度，通过对火箭技术和重复使用流程的迭代更新，预计今年年底前完成一子级火箭的复用飞行验证，继而完成整个火箭整个复用流程闭环。

（一子级火箭“冒黑烟”）

不过，在长征十号乙火箭一子级回收过程中，一子级箭体级间段顶部冒出滚滚黑烟的现象引发各界猜测。当前公开渠道尚未有官方定论，我们仅从工程实施依据和火箭回收过程的姿态控制程序，对这一现象进行猜测。

总体上来说，“冒黑烟”属于正常现象，并非发生故障或点燃隔热材料这类“瑕疵”。通过仔细研究飞行全程视频，笔者认为“冒黑烟”是液氧煤油火箭回收时的“泄压排气”正常设计造成的。

我们知道，在液体火箭发动机工作时，需要燃料贮箱保持一定恒定压力，才能将煤油（液体燃料）稳定地输送到发动机泵中。然而，在火箭一子级回收阶段，箭体载入大气层时气动加热现象极为严重，这时很可能导致燃料贮箱的液体煤油温度迅速攀升，不仅加剧其挥发，而且发动机在再入返回过程中还会多次开、关机，这些都将对燃料贮箱形成压力波动，危及一子级箭体安全。

（烟雾呈现黄灰色）

为此，当燃料贮箱内部压力超过阈值时，一子级箭体顶部的排气阀门会自动开启进行快速泄压，以确保燃料贮箱内部压力稳定并保障贮箱结构安全。

不过，在这个排气泄压过程中，会夹带大量细小的煤油液雾（煤油雾）飘出，这些雾气和高温煤油蒸汽混合排出时，将因为接触空气而迅速燃烧，不过由于是“煤油气多、氧气稀少”的富燃状态，煤油燃烧不充分，生成了大量碳黑微粒（主要成分是碳单质结构），从而形成“冒黑烟”状态。

这里需要注意一点的是，由于泄压管路和排气阀门均布置在一子级箭体顶端级间段，燃烧烟气从顶部快速溢出，又因为返回下落过程中的气流扰动，形成“烟囱效应”，继而一路飘到发动机关机和网系捕获阶段。

值得一提的是，一子级火箭发动机在网系回收过程中，需要进行深度节流、降低推力，、实施悬停等动作，这时一子级火箭发动机在偏离额定工况的情况下，也将产生大量“黑烟”，从而在烟囱效应的叠加作用下放大“冒黑烟”的视觉效果。

（回收过程）

必须指出一点是，采用液氧煤油发动机的可回收火箭都会出现“冒黑烟”现象，甚至可以说是这类型火箭回收过程中的普遍特征。例如美国SpaceX的“猎鹰9”号复用火箭在一子级回收过程中也会出现“冒黑烟”的情况，不过不过不像这次这么具有“视觉冲击力”。

从原理上来讲，这是因为煤油燃烧时固有的特性，它就会比甲烷和液氢燃料更容易产生“积碳”和“黑烟”。

当然，这次一子级返回过程中冒出来的烟也不完全是“黑烟”，在火箭发动机关机，网系捕获一子级箭体时，我们看到其顶部还有点“发黄”，类似于肼类燃料钝化时的效果。

（此时冒烟发黄）

从这个现场画面来讲，这种由煤油缺氧燃烧的“黑烟”以及肼类燃料钝化时产生的“黄雾”相混合的烟雾，可能指向另外两个“冒黑烟”的“元凶”：姿态控制发动机和栅格舵。

分析人士指出，在极端热环境下，一子级箭体上部级间段的高压气瓶携带的高分子保温层分解燃烧产生了热裂解或不完全燃烧，产生大量游离碳微粒，从而形成“冒黑烟”状态。

简单来说，一子级火箭以马赫数5左右的速度再入大气层过程中，气动加热那可能急剧上升，特别是箭体表面的栅格舵区域温度可达1100摄氏度，足以使箭体周围结构温度骤升，这就产生了随时可以点燃甚至热裂解物质的诱因。

在一子级火箭箭体头部朝上返回时，箭体顶部区域会形成一个较小的负压涡流区，可能将高温气体“吸入”级间段内部，从而有可能将一些发泡聚氨酯等高分子保温层引燃。

此时，再加上最后返回阶段进行关键姿态控制的RCS发动机需要进行剩余推进剂钝化（DT-3单组元推进剂），从而加速了这种引燃过程，形成了“先黑后黄”的浓烟效果。

（保温层材料包括的高压气瓶）

最后，也有一些分析人士认为，在火箭一子级进入最后返回调姿阶段，RCS发动机点火过程中，可能引燃了格栅舵的液压系统，排出的液压油，从而与剩余的肼类燃料一起参与钝化过程，继而出现“黑黄烟雾交替出现的情况”。

另一些观点则认为，RCS发动机（姿态控制发动机）在关机后，内部管路或燃烧室中可能残留少量未完全燃烧的推进剂，排出后形成黑烟。

不过，笔者认为，RCS产生的废气量通常较小，且喷口多位于箭体侧面，很难形成视频中那样从顶部集中、持续喷出的浓烈黑烟柱。因此，它不太可能是黑烟的主要来源，更可能是一个次要的、叠加的因素。

所以笔者认为，最合理的画面是：火箭一子级顶部的排气阀正在排出富燃的煤油蒸汽，这些蒸汽燃烧不完全产生了大量黑烟；而再入大气层带来的极端高温，进一步加剧了这一过程，并可能叠加了部分材料热解产生的烟雾，不过，这都被认为是火箭设计内允许的正常工作状态，并非故障。

总体上，这些只是笔者从基本的航天知识分析出来的一些判断，到底真相如何必须由官方来解答。但无论如何，这次回收是100%成功的，“冒黑烟”只是一个小插曲，无伤大雅。

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