航天小百科01 — 火箭發動機(上)

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人類對自由飛翔的嚮往由來已久,如嫦娥奔月的神話和萬戶飛天的故事,但是真正的轉折點不得不從萊特兄弟說起,1903年12月17日萊特兄弟完成了世界第一次公認的動力飛行。他們用了一臺四缸直列式水冷發動機改裝後成功地用在了飛機上,完成了這一偉大壯舉。因為這次飛行是人類歷史上首次有動力、載人、持續、穩定和可操作的重於空氣的飛行器的飛行。對接“航發小知識的內容”我們通過對比火箭發動機與航空發動機來展開介紹。

一、火箭發動機與航空發動機

火箭與飛機都屬於飛行器,我們把火箭的動力裝置叫火箭發動機,飛機的動力裝置叫航空發動機。具體來說火箭發動機又可以分為液體火箭發動機固體火箭發動機兩類,它們都屬於自帶氧化劑和燃料的噴氣發動機,即火箭發動機不依賴大氣環境故能飛往太空。液體火箭發動機即使用液體推進劑的發動機其燃料是液態,固體火箭發動機的推進劑是固體,靠燃燒固體火藥柱產生推力。那麼航空發動機呢,航空發動機屬於吸氣式發動機,需要依賴大氣中的氧氣與自帶的燃料燃燒以產生高速氣流獲得反作用推力,或者燃燒燃料轉化為機械能以軸功率輸出到螺旋槳或旋翼上間接獲得動力。

大致分為兩大類型,一是直接反作用推進系統(噴氣式發動機),主要有渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、衝壓發動機等,靠燃燒燃料噴射出高速氣流獲得推力。二是間接反作用推進系統,主要有活塞式發動機、渦輪軸發動機、渦輪螺旋槳發動機、槳扇發動機等,靠燃燒燃料轉化為機械能以軸功率輸出到螺旋槳或旋翼上間接獲得動力。早期活塞發動機在飛機和直升機上應用廣泛,當今早已經被燃氣渦輪發動機取代優勢,我們日常乘坐的大型客機都是渦輪風扇發動機。

簡單總結起來就是火箭發動機不吸氣,自身攜帶氧化劑和燃料燃燒後噴氣產生推力,而航空發動機機需要吸氣。其次航空發動機通常是用在可重複使用的航空器上,而火箭發動機通常是用在只能一次使用的火箭上,當然馬斯克打破了這一點,火箭也已經變成可重複使用的飛行器了。以下主要介紹傳統化學能火箭發動機分類。

二、液體火箭發動機

由於液體火箭發動機應用很廣,組成也是多種多樣,根據組件的功能來分,結構主要包括推力室、推進劑供應系統、閥門與調節器、發動機總裝原件等。但液體火箭發動機的分類方法就比較多了。

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按推力大小分類,可以分為:大推力、中等推力和小推力發動機。和我們劃分高超聲速飛行器一樣,都有個界限,劃分的依據的參數就是推力,推力為1~10MN的發動機定義為大推力發動機(航發F119的推力大約是16~17噸,即160~170KN,用途不一樣作者在這裡給出只是個參考);推力1.6kN~1MN的為中等推力發動機;推力為0.01~1600N的為小推力發動機,你可能在想0.01N這麼小的推力能幹啥,可別小看它,對於這種小發在航天領域主要是為了完成火箭或者航天器變軌和姿態控制任務,也是很關鍵的。

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按推力變化範圍分類;可分為固定推力發動機、小範圍調節推力發動機、中等範圍推力調節發動機、大範圍推力調節發動機。

按啟動次數分類:液體火箭發動機還可以分為,一次啟動發動機,多次啟動發動機。

按工作性質分類:

火箭發動機可以分為連續工作式發動機、脈衝工作式發動機。這個好理解,連續工作式就是啟動後穩定工作時間比啟動段和關機段時間長得多。脈衝工作式發動機我們從字面就比較好理解,就是不連續,有“佔空”,主要是用在航天器的穩定和定向系統中。

按推進劑組元分類:單組元對應小發,以肼、過氧化氫等作為推進劑。雙組元發動機應用最為廣泛,我們經常聽到的液氧/煤油、液氫/液氧發動機就是這一類了。

按發動機用途:液體火箭發動機在火箭上的應用比較廣,包括主發動機、助推發動機、芯級發動機、上面級發動機、遊動發動機。航天器上還有姿態控制發動機和軌道控制發動機。這些之後的文章我們會為大家進一步介紹。

三、固體火箭發動機

說到固體火箭,我們中國可是老祖宗,固體火箭起源,宋代已出現以黑火藥為能源的固體火箭發動機。最早是1161年宋金之戰中的“霹靂炮”。元、明兩代出現了火箭束和兩級火箭雛型,例如“火龍出水”火箭。13世紀,中國的火藥和火箭技術經中亞和阿拉伯傳入歐洲。但是,在較長時間內,低性能的黑火藥限制了固體火箭的發展。[1]

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固體火箭發動機主要用作火箭彈、導彈和探空火箭的發動機,以及航天器發射和飛機起飛的助推發動機。固體火箭發動機結構簡單,體積小,可靠性高機動性強,能夠長期儲存。所以也是彈道武器的首選動力裝置。結構上主要包括燃燒室、典型噴管、點火裝置等。同樣關於固體火箭的分類按不同方法也有很多。

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固體火箭發動機(圖片來自環球軍事)

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固體火箭發動機(圖片來自超協網)

按裝藥的填裝方式:可以分為自動填裝式、鑄裝式兩類。

按裝藥柱的種類:可分為端燃藥柱式、內燃藥柱式和內外燃藥柱式固體火箭發動機等。

按推進劑種類:可分為複合固體推進劑、雙基固體推進劑、複合雙基推進劑固體火箭發動機,其中推進劑有聚氨酯、聚丁二烯等。

按推力級數:可分為單推力式和雙推力式,雙推力常用在小型戰術導彈上,其中大推力第一級用於起飛,小推力第二級用於續航。

以上就是對火箭發動機類型的簡單介紹,火箭發動機分類可能要比航空發動機稍多些,本期我們只介紹傳統化學能火箭發動機。我們首先記住大類液體火箭發動機、固體火箭發動機這兩大類就好記了。關於火箭的更多小知識我們後期的文章陸續推出,歡迎繼續關注閱讀!

參考文獻:

固體火箭發動機技術作者查理

注:題圖來自騰訊網《講武堂》

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