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火箭威力巨大。发动机是火箭产生运动动力的提供者,没有发动机,火箭就寸步难行,火箭发动机名目繁多。按能源的种类可分为化学火箭发动机、电火箭发动机、核火箭发动机、太阳能火箭发动机和光子火箭发动机等。当前使用最为广泛的是化学火箭发动机,它利用氧化剂和燃烧剂化合产生能量。在化学火箭发动机中,按推进剂形态可分为液体推进剂发动机和固体推进剂发动机。液体发动机按推进剂温度范围可分为常温可储存推进剂发动机和低温推进剂发动机。常温氧化剂有硝酸、四氧化二氮等,常温燃烧剂有酒精、煤油、偏二甲肼、一甲基肼等。低温氧化剂有液氧,低温燃烧剂有液氢。
液体推进剂发动机
它通常由推进剂供应系统、推力室(燃烧室)、活门和调节器等组成。推进剂供应系统是在增压气体作用下将火箭贮箱中的推进剂输送到发动机涡轮泵前,并通过涡轮泵产生的出口压力压人推力室。
推力室是火箭发动机的重要组件,主要由喷注器、燃烧室和喷管组成。液体推进剂经过喷注器喷入燃烧室,完成雾化、混合和燃烧过程,产生大约3000多度高温和几十个大气压的高压燃气,将推进剂的化学能转变为热能。燃烧室的压力越高,发动机的比冲(每千克推进剂产生的冲量)越大。喷管将高温高压燃气的热能转变成巨大的动能,以极高的速度喷射出去,产生的反作用力把火箭推向前进。据计算,我国“长征二号”一级发动机点火后工作时,它的功率有1000万千瓦左右,可以点燃2.5亿只40瓦的灯泡。当然,火箭一级发动机工作时间不长,只有120多秒。
液体火箭发动机与固体火箭发动机相比具有下列特点:
1.推力大 固体发动机的比冲约为2500~2700米/秒,而大型液氢/液氧发动机比冲高达4100~4460米/秒。这样可以大大提高火箭运载能力。例如美国运载“阿波罗”飞船登月的土星号火箭,它的第一级发动机由推力为85吨的8台发动机组成,总推力达680吨。我国长征3号一级发动机由4台发动机组成,总推力达300吨,单个发动机的推力也有70吨。
2,工作适应性强 航天火箭在转换轨道时,常常要多次启动和关机。在飞行器着陆时,要求发动机的推力能够调节,例如,登月舱下降发动机的推力调节范围是10:1,以保证登月舱安全地软着陆。而固体发动机是一次启动和一次关机,推力也无法调节。
3.推进剂便宜 航天运载火箭的费用,推进剂是主要部分。液体推进剂的费用仅为固体推进剂费用的1/7~1/30。
4.工作时间长 液体火箭发动机工作时间可长达几百秒甚至几千秒以上,对于空间飞行来说是非常需要的。而固体火箭发动机受到结构限制,工作时间一般只能达到几十秒,很少超过100秒。故液体火箭发动机非常适合用于航天。
在二战期间,德国研制了以液氧酒精为推进剂的火箭发动机,以此为基础,研制成功了世界上最早的V—2弹道导弹。战后,美苏两国竞相发展液体火箭和导弹。以液氧—煤油为推进剂的一系列发动机相继研制成功,以此为基础研制了各种液体导弹和几种航天运载火箭。接着美国、欧洲和中国研制成功了比冲很高的液氢—液氧为推进剂的发动机。
由于液体火箭发动机的品种增加和性能提高,其应用范围越来越广。近程、中程、远程和洲际导弹相继研制成功。其中洲际导弹的射程达11000-13000公里。液体火箭也广泛用于各种战术导弹,早期的地对地短程导弹,防空导弹和海防导弹等都是液体推进剂的导弹,后来这些导弹逐渐被固体导弹所取代。
从上世纪60年代以来,液体运载火箭广泛应用于在航天领域,液体发动机广泛用于各种卫星、飞船、航天飞机和行星探测器等航天飞行器,用于轨道的变换和修正、姿态控制以及星球着陆等。
固体推进剂发动机
它是使用固体推进剂的化学火箭发动机,固体推进剂灌注在发动机燃烧室中,点火后在其中燃烧。发动机外壳是箭体的一部分,不需要专门的推进剂贮箱。
固体火箭起源于中国。到二战时,固体火箭发动机在火箭炮和飞机助推器上得到了应用。从1955年起直到上世纪70年代,固体火箭发动机在推进剂性能、材料和发动机结构设计等方面都有重大进步。
固体发动机一般由固体推进剂药柱、燃烧室、喷管、点火装置和用于末机的推力终止装置等组成。
固体发动机常用的推进剂是复合推进剂和复合改性双基推进剂。复合推进剂是由氧化剂、金属燃料和粘合剂(同时也是燃料)等组成的。
燃烧室通常由壳体、内绝热层和衬层3部分组成。壳体的材料有金属材料和复合材料两类。
喷管高温高压燃气的热能转换为推进导弹前进的动能。喷管位于燃烧室尾部。
点火装置接到火箭或导弹控制系统的点火指令,即在极短时间内点燃燃烧室中的药柱使发动机工作。推力终止装置是在发动机的推进剂尚未完全耗尽的时候实现终止推力的装置。当火箭或导弹达到预定的飞行速度时,控制系统就给末级发动机发出终止推力的指令。
固体发动机的特点:①结构简单,零部件特别是活动的部件少,易于维护和操作。②可靠性高。由于零部件少,因某一零、部件发生故障而引起发动机失败的可能性小。③便于储存。固体推进剂可长期储存,发射前只须简单测试,作战反应快。④体积比冲高。虽然固体推进剂质量比冲比液体推进剂低,一般为2200-2700米/秒,但它的密度大,约为1.6-1.84克/厘米3,因而同样总冲量的固体火箭尺寸比液体火箭小,使得火箭运载车辆的尺寸小,机动性好,生存能力高。⑤起飞加速性能好,能快速攻击目标。⑥地面车辆和辅助设施少,隐蔽性好,生存能力强。固体推进剂火箭适合用于作导弹在战争条件下工作。早期的导弹都是液体导弹,自从新型固体发动机问世以来,世界上各种导弹绝大多数都采用了固体导弹。
固体发动机在航天方面也有一些应用,例如作大型运载火箭的助推器和航天器(如卫星)的远地点发动机等,由于固体发动机不需要加注推进剂等特点,因而在航天领域也经常有使用的机会。
电火箭发动机 它是用电能加速工质(工作介质)形成高速射流而产生推力的发动机。和化学火箭不同,它的能源和工质是分开的。电能由飞行器提供。工质常用氢、氮、氩或碱金属(铯、汞、铷、锂等)的蒸汽。电火箭发动机的比冲高,寿命长(可启动上万次,累计工作上万小时),但推力相当小,只有100牛(10千克力)左右或更小。适用于航天器的姿态控制和位置保持,还适合用于长期工作的星际航行。
核火箭发动机 它利用核反应或放射性衰变释放的热量加热工质,经过喷管膨胀加速产生推力。这种发动机可分为3种类型:放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型。放射性同位素火箭发动机的推力一般在1牛以下,比冲也不大,为2500-8000米/秒。核裂变发动机比冲较高,常用固体堆芯为7500-12000米/秒,常用气体堆芯可达5万-10万米/秒。这两种核火箭发动机至今只在个别地球卫星上试验使用过,尚不成熟。主要技术难点是核辐射防护、反应堆的控制和提高换热器的效率问题。核聚变的效率比较高,单位质量所产生的能量是裂变的几百倍,而且放射性危险只有裂变方式的万分之一。
假定到银河系航行的飞船发动机功率为100千瓦,当使用化学火箭发动机时,工作一年需要携带几百吨推进剂。从地球上发射一吨重的飞船到太阳系外至少需要几百吨重的运载火箭,发射几百吨或1千吨以上的飞船要用几十万吨重的造载火箭,这是很难做到的。用核聚变发动机,只需要大约几十千克核燃料,这就容易多了。但目前核聚变反应堆本身尚在研制之中。
太阳能火箭发动机是利用太阳能直接加热工质,工质通过喷管膨胀加速喷出产生推力。太阳光经发动机上的抛物面反射镜聚焦,所获热能直接用以加热工质。这种发动机的比冲可达4000-7000米/秒;能不需要推进剂长时间工作。
光子火箭发动机依靠电磁辐射光量子的定向流产生推力,这种发动机最大速度、比冲和效能。极限速度应该是光速,但很不容易达到。它的主要结构部件是光子源。为了使光子源获得足够大的光压,需要有5万-25万K的高温。银河系外星距离最近的都有几光年到几十光年,如果有光子火箭,飞到那里的时间就短多了。
以上几种发动机尚处于理论探索研究阶段。
当前的火箭和火箭发动机技术进步很快,航天事业正在蓬勃发展,世界各国发射的卫星、飞船、航天飞机、空间站等层出不穷、交相辉映。但如果与人类未来将要进行的飞行和开发太阳系内外星球无比宏大的,任务相比,当前的航天不过是刚刚起步。
液体推进剂发动机
它通常由推进剂供应系统、推力室(燃烧室)、活门和调节器等组成。推进剂供应系统是在增压气体作用下将火箭贮箱中的推进剂输送到发动机涡轮泵前,并通过涡轮泵产生的出口压力压人推力室。
推力室是火箭发动机的重要组件,主要由喷注器、燃烧室和喷管组成。液体推进剂经过喷注器喷入燃烧室,完成雾化、混合和燃烧过程,产生大约3000多度高温和几十个大气压的高压燃气,将推进剂的化学能转变为热能。燃烧室的压力越高,发动机的比冲(每千克推进剂产生的冲量)越大。喷管将高温高压燃气的热能转变成巨大的动能,以极高的速度喷射出去,产生的反作用力把火箭推向前进。据计算,我国“长征二号”一级发动机点火后工作时,它的功率有1000万千瓦左右,可以点燃2.5亿只40瓦的灯泡。当然,火箭一级发动机工作时间不长,只有120多秒。
液体火箭发动机与固体火箭发动机相比具有下列特点:
1.推力大 固体发动机的比冲约为2500~2700米/秒,而大型液氢/液氧发动机比冲高达4100~4460米/秒。这样可以大大提高火箭运载能力。例如美国运载“阿波罗”飞船登月的土星号火箭,它的第一级发动机由推力为85吨的8台发动机组成,总推力达680吨。我国长征3号一级发动机由4台发动机组成,总推力达300吨,单个发动机的推力也有70吨。
2,工作适应性强 航天火箭在转换轨道时,常常要多次启动和关机。在飞行器着陆时,要求发动机的推力能够调节,例如,登月舱下降发动机的推力调节范围是10:1,以保证登月舱安全地软着陆。而固体发动机是一次启动和一次关机,推力也无法调节。
3.推进剂便宜 航天运载火箭的费用,推进剂是主要部分。液体推进剂的费用仅为固体推进剂费用的1/7~1/30。
4.工作时间长 液体火箭发动机工作时间可长达几百秒甚至几千秒以上,对于空间飞行来说是非常需要的。而固体火箭发动机受到结构限制,工作时间一般只能达到几十秒,很少超过100秒。故液体火箭发动机非常适合用于航天。
在二战期间,德国研制了以液氧酒精为推进剂的火箭发动机,以此为基础,研制成功了世界上最早的V—2弹道导弹。战后,美苏两国竞相发展液体火箭和导弹。以液氧—煤油为推进剂的一系列发动机相继研制成功,以此为基础研制了各种液体导弹和几种航天运载火箭。接着美国、欧洲和中国研制成功了比冲很高的液氢—液氧为推进剂的发动机。
由于液体火箭发动机的品种增加和性能提高,其应用范围越来越广。近程、中程、远程和洲际导弹相继研制成功。其中洲际导弹的射程达11000-13000公里。液体火箭也广泛用于各种战术导弹,早期的地对地短程导弹,防空导弹和海防导弹等都是液体推进剂的导弹,后来这些导弹逐渐被固体导弹所取代。
从上世纪60年代以来,液体运载火箭广泛应用于在航天领域,液体发动机广泛用于各种卫星、飞船、航天飞机和行星探测器等航天飞行器,用于轨道的变换和修正、姿态控制以及星球着陆等。
固体推进剂发动机
它是使用固体推进剂的化学火箭发动机,固体推进剂灌注在发动机燃烧室中,点火后在其中燃烧。发动机外壳是箭体的一部分,不需要专门的推进剂贮箱。
固体火箭起源于中国。到二战时,固体火箭发动机在火箭炮和飞机助推器上得到了应用。从1955年起直到上世纪70年代,固体火箭发动机在推进剂性能、材料和发动机结构设计等方面都有重大进步。
固体发动机一般由固体推进剂药柱、燃烧室、喷管、点火装置和用于末机的推力终止装置等组成。
固体发动机常用的推进剂是复合推进剂和复合改性双基推进剂。复合推进剂是由氧化剂、金属燃料和粘合剂(同时也是燃料)等组成的。
燃烧室通常由壳体、内绝热层和衬层3部分组成。壳体的材料有金属材料和复合材料两类。
喷管高温高压燃气的热能转换为推进导弹前进的动能。喷管位于燃烧室尾部。
点火装置接到火箭或导弹控制系统的点火指令,即在极短时间内点燃燃烧室中的药柱使发动机工作。推力终止装置是在发动机的推进剂尚未完全耗尽的时候实现终止推力的装置。当火箭或导弹达到预定的飞行速度时,控制系统就给末级发动机发出终止推力的指令。
固体发动机的特点:①结构简单,零部件特别是活动的部件少,易于维护和操作。②可靠性高。由于零部件少,因某一零、部件发生故障而引起发动机失败的可能性小。③便于储存。固体推进剂可长期储存,发射前只须简单测试,作战反应快。④体积比冲高。虽然固体推进剂质量比冲比液体推进剂低,一般为2200-2700米/秒,但它的密度大,约为1.6-1.84克/厘米3,因而同样总冲量的固体火箭尺寸比液体火箭小,使得火箭运载车辆的尺寸小,机动性好,生存能力高。⑤起飞加速性能好,能快速攻击目标。⑥地面车辆和辅助设施少,隐蔽性好,生存能力强。固体推进剂火箭适合用于作导弹在战争条件下工作。早期的导弹都是液体导弹,自从新型固体发动机问世以来,世界上各种导弹绝大多数都采用了固体导弹。
固体发动机在航天方面也有一些应用,例如作大型运载火箭的助推器和航天器(如卫星)的远地点发动机等,由于固体发动机不需要加注推进剂等特点,因而在航天领域也经常有使用的机会。
电火箭发动机 它是用电能加速工质(工作介质)形成高速射流而产生推力的发动机。和化学火箭不同,它的能源和工质是分开的。电能由飞行器提供。工质常用氢、氮、氩或碱金属(铯、汞、铷、锂等)的蒸汽。电火箭发动机的比冲高,寿命长(可启动上万次,累计工作上万小时),但推力相当小,只有100牛(10千克力)左右或更小。适用于航天器的姿态控制和位置保持,还适合用于长期工作的星际航行。
核火箭发动机 它利用核反应或放射性衰变释放的热量加热工质,经过喷管膨胀加速产生推力。这种发动机可分为3种类型:放射性同位素衰变型、核裂变型和核聚变型。放射性同位素火箭发动机的推力一般在1牛以下,比冲也不大,为2500-8000米/秒。核裂变发动机比冲较高,常用固体堆芯为7500-12000米/秒,常用气体堆芯可达5万-10万米/秒。这两种核火箭发动机至今只在个别地球卫星上试验使用过,尚不成熟。主要技术难点是核辐射防护、反应堆的控制和提高换热器的效率问题。核聚变的效率比较高,单位质量所产生的能量是裂变的几百倍,而且放射性危险只有裂变方式的万分之一。
假定到银河系航行的飞船发动机功率为100千瓦,当使用化学火箭发动机时,工作一年需要携带几百吨推进剂。从地球上发射一吨重的飞船到太阳系外至少需要几百吨重的运载火箭,发射几百吨或1千吨以上的飞船要用几十万吨重的造载火箭,这是很难做到的。用核聚变发动机,只需要大约几十千克核燃料,这就容易多了。但目前核聚变反应堆本身尚在研制之中。
太阳能火箭发动机是利用太阳能直接加热工质,工质通过喷管膨胀加速喷出产生推力。太阳光经发动机上的抛物面反射镜聚焦,所获热能直接用以加热工质。这种发动机的比冲可达4000-7000米/秒;能不需要推进剂长时间工作。
光子火箭发动机依靠电磁辐射光量子的定向流产生推力,这种发动机最大速度、比冲和效能。极限速度应该是光速,但很不容易达到。它的主要结构部件是光子源。为了使光子源获得足够大的光压,需要有5万-25万K的高温。银河系外星距离最近的都有几光年到几十光年,如果有光子火箭,飞到那里的时间就短多了。
以上几种发动机尚处于理论探索研究阶段。
当前的火箭和火箭发动机技术进步很快,航天事业正在蓬勃发展,世界各国发射的卫星、飞船、航天飞机、空间站等层出不穷、交相辉映。但如果与人类未来将要进行的飞行和开发太阳系内外星球无比宏大的,任务相比,当前的航天不过是刚刚起步。