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塞斯納龐巴迪

火箭發動機



   火箭發動機是我國勞動人民首先創造出來的。早在唐代初年(約在七世紀)火藥就出現了,南宋時代火藥用來制造煙火,其中包括“起花”。大約在十三世紀制成火箭。我國古代制造的火箭和起花所用的是黑色火藥。它們的工作原理和現代的固體燃料火箭是一樣的。

  同空氣噴氣發動機相比較,火箭發動機的最大特點是:它自身既帶燃料,又帶氧化劑,靠氧化劑來助燃,不需要從周圍的大氣層中汲取氧氣。所以它不但能在大氣層內,也可在大氣層之外的宇宙真空中工作。這是任何空氣噴氣發動機都做不到的。目前發射的人造衛星、 月球飛船以及各種宇宙飛行器所用的推進裝置,都是火箭發動機。

  現代火箭發動機主要分固體推進劑和液體推進劑發動機。所謂“推進劑”就是燃料(燃燒劑)加氧化劑的合稱。

  一、固體火箭發動機

  固體火箭發動機為使用固體推進劑的化學火箭發動機。固體推進劑有聚氨酯、聚丁二烯、端羥基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。

  固體火箭發動機由藥柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。藥柱是由推進劑與少量添加劑制成的中空圓柱體(中空部分為燃燒面,其橫截面形狀有圓形、星形等)。藥柱置于燃燒室(一般即為發動機殼體)中。在推進劑燃燒時,燃燒室須承受2500~3500度的高溫和102~2×107帕的高壓力,所以須用高強度合金鋼、鈦合金或復合材料制造,并在藥柱與燃燒內壁間裝備隔熱襯。

  點火裝置用于點燃藥柱,通常由電發火管和火藥盒(裝黑火藥或煙火劑)組成。通電后由電熱絲點燃黑火藥,再由黑火藥點火燃藥拄。

  噴管除使燃氣膨脹加速產生推力外,為了控制推力方向,常與推力向量控制系統組成噴管組件。該系統能改變燃氣噴射角度,從而實現推力方向的改變。

  藥柱燃燒完畢,發動機便停止工作。

  固體火箭發動機與液體火箭發動機相比較,具有結構簡單,推進劑密度大,推進劑可以儲存在燃燒到中常備待用和操縱方便可靠等優點。缺點是“比沖”小(也叫比推力,是發動機推力與每秒消耗推進劑重量的比值,單位為秒)。固體火箭發動機比沖在250~300秒,工作時間短,加速度大導致推力不易控制,重復起動困難,從而不利于載人飛行。

  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。

  二、液體火箭發動機

  液體火箭發動機是指液體推進劑的化學火箭發動機。常用的液體氧化劑有液態氧、四氧化二氮等,燃燒劑由液氫、偏二甲肼、煤油等。氧化劑和燃燒劑必須儲存在不同的儲箱中。

  液體火箭發動機一般由推力室、推進劑供應系統、發動機控制系統組成。

  推力室是將液體推進劑的化學能轉變成推進力的重要組件。它由推進劑噴嘴、燃燒室、噴管組件等組成,見圖。推進劑通過噴注器注入燃燒室,經霧化,蒸發,混合和燃燒等過成生成燃燒產物,以高速(2500一5000米/秒)從噴管中沖出而產生推力。燃燒室內壓力可達2O0大氣壓(約20OMPa)、溫度300O~4000℃,故需要冷卻。

  推進劑供應系統的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進劑。按輸送方式不同,有擠壓式(氣壓式)和泵壓式兩類供應系統。擠壓式供應系統是利用高壓氣體經減壓器減壓后(氧化劑、燃燒劑的流量是靠減壓器調定的壓力控制)進入氧化劑、燃燒劑貯箱,將其分別擠壓到燃燒室中。擠壓式供應系統只用于小推力發動機。大推力發動機則用泵壓式供應系統,這種系統是用液壓泵輸送推進劑。

  發動機控制系統的功用是對發動機的工作程序和工作參數進行調節和控制。工作程序包括發動機起動、工作。關機三個階段,這一過程是按預定程序自動進行的。工作參數主要指推力大小、推進劑的混合比。

  液體火箭發動機的優點是比沖高(25O~5OO秒),推力范圍大(單臺推力在1克力~700噸力)、能反復起動、能控制推力大小、工作時間較長等。液體火箭發動機主要用作航天器發射、姿態修正與控制、軌道轉移等。

  三、其他能源的火箭發動機

  (一)電火箭發動機
  電火箭發動機是利用電能加速工質,形成高速射流而產生推力的火箭發動機。與化學火箭發動機不同,這種發動機的能源和工質是分開的。電能由飛行器提供,一般由太陽能、核能、化學能經轉換裝置得到。工質有氫、氮、氬、汞、氨等氣體。

  電火箭發動機由電源、電源交換器、電源調節器、工質供應系統和電推力器組成。電源和電源交換器供給電能;電源調節器的功用是按預定程序起動發動機,并不斷調整電推力器的各種參數,使發動機始終處于規定的工作狀態;工質供應系統則是貯存工質和輸送工質;電推力器的作用是將電能轉換成工質的動能,使其產生高速噴氣流而產生推力。

  按加速工質的方式不同,電火箭發動機有電熱火箭發動機、靜電火箭發動機和電磁火箭發動機的三種類型。電熱火箭發動機利用電能加熱(電阻加熱或電弧加熱)工質(氫、胺、肼等),使其氣化;經噴管膨脹加速后,由噴口排出而產生推力。靜電火箭發動機的工質(汞、銫、氫等)從貯箱輸入電離室被電離成離子,然后在電極的靜電場作用下加速成高速離子流而產生推力。電磁火箭發動機是利用電磁場加速被電離工質而產生射流,形成推力。電火箭發動機具有極高的比沖(70O~250O秒)、極長的壽命(可重復起動上萬次、累計工作可達上萬小時)。但產生的推力小于10ON。這種發動機僅適用于航天器的姿態控制、位置保持等。 

  (二)核火箭發動機
  核火箭發動機用核燃料作能源,用液氫、液氦、液氨等作工質。核火箭發動機由裝在推力室中的核反應堆、冷卻噴管、工質輸送系統和控制系統等組成。在核反應堆中,核能轉變成熱能以加熱工質,被加熱的工質經噴管膨脹加速后,以6500~1100O米/秒的速度從噴口排出而產生推力。核火箭發動機的比沖高(250~1000秒)壽命長,但技術復雜,只適用于長期工作的航天器。這種發動機由于核輻射防護、排氣污染、反應堆控制,以及高效熱能交換器的設計等問題未能解決,至今仍處于試驗之中。此外,太陽加熱式和光子火箭發動機尚處于理論探索階段。

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