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关于火箭发动机

时间:2016-06-26 19:30:16   作者:   来源:   阅读:549   评论:0

    真正的近代火箭的出现是在第二次世界大战时的法西斯德国。早在1932年德国就发射了A2火箭,飞行高度达为3公里。1942年10月发射成功V2火箭(A4型),飞行高度85公里,飞行距离190公里。V2火箭的发射成功,把航天先驱者的理论变成现实,是现代火箭技术发展史的重要一页。下面介绍一些关于火箭的最基本知识。早在1903年齐奥尔科夫斯基就推导出单级火箭的理想速度公式V=ωInMo/Mk被称为齐奥尔科夫斯基公式。ω为发动机的喷气速度。Mo和Mk分别是火箭的初始质量和发动机熄火(推进剂用完)时的质量,Mo/Mk被称为火箭的质量比。

    由这个公式可知,火箭的速度与发动机的喷气速度成正比,同时随火箭的始末质量比(的自然对数)增大而增大。如果使用性能最好的液氢液氧推进剂,发动机的喷气速度也只能达到4.3—4.4公里/秒。因此,单级火箭不可能把物体送入太空轨道,必须采用多级火箭,以接力的方式将航天器送入太空轨道

    根据上面的公式,再利用牛顿定律可以求得火箭发动机的推力为F=ωdm/dt,dm为喷出气体的质量,dt为单位时间,那么dm/dt也叫做燃料的燃烧速率。上式表明火箭发动机的推力与燃料的燃烧速率以及喷出气体的相对速度成正比。现在我们把推力与推进剂每秒消耗量之比称为比冲,它是推进系统燃烧效率的描述。比冲越高,射程越远,也就是燃料越省。通常定义为单位质量的推进剂所能带来的冲量(动量的改变),单位为米/秒(m/s)或牛·秒/千克(N·s/kg),工程上习惯使用秒(s)。比冲越高代表效率越好,亦即可以用相同质量的燃料产生更多的动量。比冲是发动机性能的主要指标,其高低与发动机设计、制造水平有关,但主要取决于所选用的推进剂的性能。要获得高比冲推进剂,要求推进剂具有高的化学能、高的燃烧效率和高的喷管效率,喷管形状直接影响比冲的大小。一般火箭的第一级要的是推力,如“土星”5号火箭启程登月时,5台发动机每秒钟消耗近3吨煤油,它们产生的推力相当于32架波音747的起飞推力。第二级和第三级要的是速度,提高喷气速度,减少燃料消耗。

多级火箭各级之间的联接方式,有串联、并联和串并联几种。串联就是把几枚单级火箭串联在一条直线上,并联就是把一枚较大的单级火箭放在中间,叫芯级。在它的周围捆绑多枚较小的火箭,一般叫助推火箭或助推器,即助推级;串并联式多级火箭的芯级也是一枚多级火箭。多级火箭各级之间、火箭和有效载荷及整流罩之间,通过连接—分离机构(常简称为分离机构)实现连接和分离。分离机构由爆炸螺栓(或爆炸索)和弹射装置(或小火箭)组成。平时,它们由爆炸螺栓或爆炸索连成一个整体;分离时,爆炸螺栓或爆炸索爆炸,使连接解锁,然后由弹射装置或小火箭将两部分分开,也有借助前面一级火箭发动机启动后的强大射流分开的。

    火箭最关键的还是发动机,火箭发动机就是利用冲量原理,自带推进剂、不依赖外界空气的喷气发动机。基本原理是燃料在火箭发动机内转化为工质(工作介质)的动能,形成高速射流排出而产生动力。 

    火箭发动机按燃料可以分为化学火箭发动机、核火箭发动机和电火箭发动机。化学火箭发动机是目前技术最成熟,应用最广泛的发动机。核火箭的原理样机已经研制成功。电火箭已经在空间推进领域有所应用。后两类发动机比冲远高于化学火箭。化学火箭发动机主要由燃烧室和喷管组成,化学推进剂既是能源也是工质,它在燃烧室内将化学能转化为热能,生成高温燃气经喷管膨胀加速,将热能转化为气流动能,以高速(1500—5000米/秒)从喷管排出,产生推力。化学火箭发动机按推进剂的物态又分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进剂火箭发动机。液体火箭发动机使用常温液态的可贮存推进剂和低温下呈液态的低温推进剂,具有适应性强、能多次起动等特点,能满足不同运载火箭和航天器的要求。固体火箭发动机的推进剂采用分子中含有燃料和氧化剂的有机物胶状固溶体(双基推进剂)或几种推进剂组元的混合物(复合推进剂),直接装在燃烧室内,结构简单、使用方便、能长期贮存处于待发射状态,适用于各种战略和战术导弹。混合推进剂火箭发动机极少使用。

固体火箭发动机

    固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置等组成。药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体(中空部分为燃烧面,其横截面形状有圆形、星形等)。药柱置于燃烧室(一般即为发动机壳体)中。在推进剂燃烧时,燃烧室须承受2500—3500度的高温和102—2×107帕的高压力,所以须用高强度合金钢、钛合金或复合材料制造,并在药柱与燃烧内壁间装备隔热衬。固体火箭发动机与液体火箭发动机相比较,具有结构简单,推进剂密度大,推进剂可以储存在燃烧到中常备待用和操纵方便可靠等优点。缺点是“比冲”小。固体火箭发动机比冲在250—300秒,工作时间短,加速度大导致推力不易控制,重复起动困难,从而不利于载人飞行。固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机,以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机。 

关于火箭发动机

    固态火箭发动机的燃料是直接安装在火箭的后部,使用的时候利用点火器引发燃料燃烧,产生推力推送火箭。因为固态火箭燃料不需要额外的燃料槽,也不需要输送或加压的管线,在构造上固体火箭发动机比液态火箭发动机要简单许多,重量也比较轻。然而也因为固态火箭发动机的燃料的量与型态是固定的,要随意借由调整燃料与氧化剂的量来控制推力非常困难,燃料一但开始作用,若是中断燃烧的过程,很难重新点燃,因此固态火箭发动机多半使用在推力需求较为固定,一经启动就不需要停止的设计上面。在设计上需要依靠精确的形状和燃料颗粒来控制燃烧的速度和产生的推力。近年来固体因为火箭具有低成本和高发射机动性等优点,受到军事用户和低轨小卫星发射商的重视,研究渐热,也有大量控制推力的办法发明并得到应用。

关于火箭发动机

不同固体火箭发动机药芯结构和对应的推力—时间图

    固态火箭发动机的另外一个好处就是不需要经常维护,燃料虽然也有使用年限,通常需要更换的时间比液态火箭发动机的燃料要长。因此在需要使用的场合,固态火箭发动机的反应和准备时间较短。此外,固态火箭发动机没有管线或者是加压设备,对于外界的震荡或者是碰撞的忍耐程度比液态火箭发动机要高。前苏联在发展机动弹道导弹系统的时候就发现,以铁路运输的方式,车体的震荡对于液态火箭发动机的设备损伤很大,固态火箭就没有这个问题。

液体火箭发动机

    液体火箭发动机是指液体推进剂的化学火箭发动机。常用的液体氧化剂有液态氧、四氧化二氮等,燃烧剂由液氢、偏二甲肼、煤油等。氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中。液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件。它由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室,经雾化,蒸发,混合和燃烧等过成生成燃烧产物,以高速(2500—5000米/秒)从喷管中冲出而产生推力。    燃烧室内压力可达200大气压(约200MPa)、温度3000—4000℃,故需要冷却。推进剂供应系统的功用是按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂。按输送方式不同,有挤压式(气压式)和泵压式两类供应系统。挤压式供应系统是利用高压气体经减压器减压后(氧化剂、燃烧剂的流量是靠减压器调定的压力控制)进入氧化剂、燃烧剂贮箱,将其分别挤压到燃烧室中。挤压式供应系统只用于小推力发动机。大推力发动机则用泵压式供应系统,这种系统是用液压泵输送推进剂。液体火箭发动机的优点是比冲高(250—500秒),推力范围大(单台推力在1克力—800吨力)、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等。液体火箭发动机主要用作航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等。

电火箭发动机

    电火箭发动机是利用电能加速工质,形成高速射流而产生推力的火箭发动机。与化学火箭发动机不同,这种发动机的能源和工质是分开的。电能由飞行器提供,一般由太阳能、核能、化学能经转换装置得到。工质有氢、氮、氩、汞、氨等气体。电火箭发动机由电源、电源交换器、电源调节器、工质供应系统和电推力器组成。电源和电源交换器供给电能;电源调节器的功用是按预定程序起动发动机,并不断调整电推力器的各种参数,使发动机始终处于规定的工作状态;工质供应系统则是贮存工质和输送工质;电推力器的作用是将电能转换成工质的动能,使其产生高速喷气流而产生推力。按加速工质的方式不同,电火箭发动机有电热火箭发动机、静电火箭发动机和电磁火箭发动机的三种类型。电热火箭发动机利用电能加热(电阻加热或电弧加热)工质(氢、胺、肼等),使其气化,经喷管膨胀加速后,由喷口排出而产生推力。静电火箭发动机的工质(汞、铯、氢等)从贮箱输入电离室被电离成离子,然后在电极的静电场作用下加速成高速离子流而产生推力。电磁火箭发动机是利用电磁场加速被电离工质而产生射流,形成推力。电火箭发动机具有极高的比冲(700—2500秒)、极长的寿命(可重复起动上万次、累计工作可达上万小时)。但产生的推力小于100N。这种发动机仅适用于航天器的姿态控制、位置保持等。 

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核火箭发动机

    核火箭发动机(也可以叫核热火箭发动机)用核燃料作能源,用液氢、液氦、液氨等作为工质。核火箭发动机由装在推力室中的核反应堆、冷却喷管、工质输送系统和控制系统等组成。在核反应堆中,核能转变成热能以加热工质,被加热的工质经喷管膨胀加速后,以6500—11000米/秒的速度从喷口排出而产生推力。核火箭发动机的比冲高(250—1000秒)寿命长,但技术复杂,只适用于长期工作的航天器。这种发动机由于核辐射防护、排气污染、反应堆控制,以及高效热能交换器的设计等问题未能解决,至今仍处于试验之中。此外,太阳加热式和光子火箭发动机尚处于理论探索阶段。 

关于火箭发动机

    很多的卫星、探测器和宇宙飞船的寿命很大程度上决定于动力源,目前科学家们设计出了太阳能离子发动机(电火箭发动机)和太阳帆船。2008年8月,美国宇航局马歇尔太空飞行中心用“猎鹰1号”火箭将NanoSail-D太阳帆送入太空,结果发射失败。如果发射成功预计太阳帆船的理论速度可达光速2%。太阳帆船就是利用太阳风把探测器向太阳外部吹去。

离子发动机

    太阳能离子发动机可将太阳能转化为电能,再通过电能电离惰性气体原子,喷射出高速氙离子流,为探测器提供主要动力。不过离子发动机的动力不够强劲,只安装在一些卫星上作为辅助和备用,主要供卫星调整飞行姿态和轨道。“SMART-1号”上的太阳能离子发动机动力足够支持探测器长时间飞行,该发动机能连续正常运转2000个小时。

关于火箭发动机

    2009年,位于美国得克萨斯州韦伯斯特市的艾德·阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company)开发出一款截至2009年为止最为强劲的离子发动机。该公司对满负荷运转的VASIMR发动机进行了测试——在休斯敦的一个真空室内运行了201千瓦的VX-200发动机,首次通过了200千瓦大关。自2005年创建以来,位于美国得克萨斯州韦伯斯特市的艾德·阿斯特拉火箭公司一直在完善一种名为“可变比冲磁致离子浆火箭”(简称VASIMR)的新型发动机。VASIMR发动机使用无线电波加热氩气,将其变成炽热的等离子体——一种使电子不再受限于原子核的物态。接下来,磁场将超高温等离子体喷射到发动机后面,令其在反方向产生推力。VASIMR发动机以比常规发动机更快的速率喷射推进剂,使得每公斤燃料产生的加速度更多。离子发动机或许会在5年内被用于维持国际空间站运行轨道,为将来一个月左右抵达火星的新型火箭的问世奠定基础。艾德·阿斯特拉火箭公司已与美宇航局签署协议,2013年在国际空间站测试200千瓦VASIMR发动机。艾德·阿斯特拉火箭公司已与美宇航局签署协议,2013年在国际空间站测试200千瓦VASIMR发动机。VASIMR发动机完成这项任务每年仅需0.3吨氩气,而使用常规推进器,每年会消耗7.5吨推进剂。因提升国际空间站轨道而获得的收入将帮助该公司“进一步完善这项技术,以实现载人火星探测任务。”据张福林介绍,一台10到20兆瓦VASIMR发动机可以在39天内将宇航员送上火星,而常规火箭则需要六个月甚至更长时间。 

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    当然核动力是将来可能是以后发展的方向,卫星用的核电源有两类:放射性同位素温差发电器和核反应堆电源。前者功率较小,为几十至几百瓦;后者功率较大,可达数千瓦至数十千瓦。

    美国在1965年发射的一颗卫星,用反应堆温差发电器作为电源,由于电源调节器出现故障仅工作43天。以钚238放射性同位素作热源的同位素温差发电器,曾用于“子午仪号”导航卫星、“林肯号”试验卫星和“雨云号”卫星。这些卫星经过长时间的空间运行后,放射性同位素衰变殆尽,再入大气层烧毁。美国在1964年4月发射“子午仪号”导航卫星时,因发射失败卫星所携带的放射性同位素源被烧毁,钚238散布在大气层中并扩散至全球。后来改用特种石墨作同位素源外壳,以防烧毁。1968年5月“雨云号”气象卫星发射失败时,核电源落入圣巴巴拉海峡,后被打捞上来。苏联在1967—1982年共发射了24颗核动力卫星。卫星带有以浓缩铀 235为燃料的热离子反应堆,功率为5—10千瓦。它们在200多公里的低轨道上工作,完成任务后核反应堆舱段与卫星体分离,并用小型火箭推到大约1000公里的轨道,可运行600年。1978年1月24日,苏联“宇宙954号”核动力卫星发生故障,核反应堆舱段未能升高而自然陨落,未燃尽的带有放射性的卫星碎片散落在加拿大境内,造成严重污染。1983年1月“宇宙1402号”核动力卫星发生类似故障,核反应堆舱段在南大西洋上空再入大气层时完全烧毁。1982年8月30日,苏联发射“宇宙1402号”核动力海洋监视卫星,与同年10月2日发射的“宇宙1412号”,组成在同一轨道面上飞行成对工作的双基站雷达卫星。 

    在外行星探测中,由于空间探测器远离太阳,难以利用太阳电池发电,必须采用核电源。美国在,“先驱者”10号、11号探测器,“旅行者”1号、2号探测器,木星和土星探测器中,都使用了同位素温差发电器作为电源。2008年,美国军火工业巨头诺斯罗普·格鲁曼公司目前正在为美国国家宇航局(NASA)研制一种可长时间在轨运行的新型核动力卫星,可能用于探测木星。这颗核动力卫星将被命名为“普罗米修斯”,预计其升空时间将不会早于2012年。我国也有核卫星计划。 

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脑洞大一些——反物质发动机

    其次,美国国家航天局正在研究反物质发动机,那么在太阳系内旅行只需要几毫克反物质(反质子),如果要去比邻星的话则也只需要几公斤。在现有的反物质发动机的设计方案有粒子束核心(Beam Core):直接一对一地湮灭,然后以磁场控制带电介子并把它们直接从喷口喷射出去,由于这些介子的运动速度接近光速,发动机比冲量可能要超过1千万秒。因为湮灭产生的带电介子在衰变后变成半衰期更长的带电μ介子,所以这个办法完全可行。而且这个方式只需要反物质燃料,不需要其他推进剂。由于湮灭的产物是以接近光速运动的,所以飞船必须造得很长。预计使用粒子束核心反物质发动机的飞船从地球飞到火星只需要24个小时到2个星期(取决于地球和火星在公转中的相对位置),而要让目前的使用化学火箭发动机,则需要1到2年。

    目前由于反物质太稀有,而且很难保存,所以要尽量少用反物质,多用核燃料,那么用自然发生的反物质湮灭来触发核反应比纯粹的反物质发动机更接近实际。目前有以下几种方案:

  1.     ICAN-II(ioncompressed antimatter nuclear II)是由宾州州立大学的反物质太空推进小组(AntimatterSpace Propulsion team)设计的,这种方式使用了反物质和核裂变的结合,用反物质来引发裂变。方法是让反质子撞击裂变物质的原子核,并同原子核里面的质子湮灭,产生的能量将使原子核分裂,其最终产生的能量要比普通的核裂变要大,估计去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等于10亿分之1克)的反物质,远远少于粒子束核心反物质发动机的消耗量。

  2.     AIM是反质子触发微裂变/聚变的缩写(AntiprotonInitiated Microfission/fusion),按照宾州州立大学的设想,如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一点的反物质,就可以朝粒子束核心反物质发动机的方向前进一步,用反物质来加强裂变,从而加热聚变燃料引发聚变。这种发动机对反物质的需要量增加了,但需要的裂变物质比较少,而且有比ICAN-II更高的比冲量,大约在61,000秒左右。他们把按这种方式设计的飞船称为AIM之星(AIMStar),如果能有30—130微克(1微克等于1/1000毫克)的反物质,AIM之星探测飞船能在50年内飞到奥尔特云。

  3.     聚变和反物质的结合,不过需要比AIM方式再多一些的反物质。只有足够的反物质,我们就可以完全抛弃裂变过程,直接用反物质湮灭产生的能量来触发惯性约束聚变,而不必像前面介绍惯性约束聚变时那样使用激光。

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