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科技資訊

關于火箭發動機

時間:2016-06-26 19:30:16   作者:   來源:   閱讀:2662   評論:0

    真正的近代火箭的出現是在第二次世界大戰時的法西斯德國。早在1932年德國就發射了A2火箭,飛行高度達為3公里。1942年10月發射成功V2火箭(A4型),飛行高度85公里,飛行距離190公里。V2火箭的發射成功,把航天先驅者的理論變成現實,是現代火箭技術發展史的重要一頁。下面介紹一些關于火箭的最基本知識。早在1903年齊奧爾科夫斯基就推導出單級火箭的理想速度公式V=ωInMo/Mk被稱為齊奧爾科夫斯基公式。ω為發動機的噴氣速度。Mo和Mk分別是火箭的初始質量和發動機熄火(推進劑用完)時的質量,Mo/Mk被稱為火箭的質量比。

    由這個公式可知,火箭的速度與發動機的噴氣速度成正比,同時隨火箭的始末質量比(的自然對數)增大而增大。如果使用性能最好的液氫液氧推進劑,發動機的噴氣速度也只能達到4.3—4.4公里/秒。因此,單級火箭不可能把物體送入太空軌道,必須采用多級火箭,以接力的方式將航天器送入太空軌道

    根據上面的公式,再利用牛頓定律可以求得火箭發動機的推力為F=ωdm/dt,dm為噴出氣體的質量,dt為單位時間,那么dm/dt也叫做燃料的燃燒速率。上式表明火箭發動機的推力與燃料的燃燒速率以及噴出氣體的相對速度成正比?,F在我們把推力與推進劑每秒消耗量之比稱為比沖,它是推進系統燃燒效率的描述。比沖越高,射程越遠,也就是燃料越省。通常定義為單位質量的推進劑所能帶來的沖量(動量的改變),單位為米/秒(m/s)或?!っ?千克(N·s/kg),工程上習慣使用秒(s)。比沖越高代表效率越好,亦即可以用相同質量的燃料產生更多的動量。比沖是發動機性能的主要指標,其高低與發動機設計、制造水平有關,但主要取決于所選用的推進劑的性能。要獲得高比沖推進劑,要求推進劑具有高的化學能、高的燃燒效率和高的噴管效率,噴管形狀直接影響比沖的大小。一般火箭的第一級要的是閃Γ如“土星”5號火箭啟程登月時,5臺發動機每秒鐘消耗近3噸煤油,它們產生的推力相當于32架波音747的起飛推力。第二級和第三級要的是速度,提高噴氣速度,減少燃料消耗。

多級火箭各級之間的聯接方式,有串聯、并聯和串并聯幾種。串聯就是把幾枚單級火箭串聯在一條直線上,并聯就是把一枚較大的單級火箭放在中間,叫芯級。在它的周圍捆綁多枚較小的火箭,一般叫助推火箭或助推器,即助推級;串并聯式多級火箭的芯級也是一枚多級火箭。多級火箭各級之間、火箭和有效載荷及整流罩之間,通過連接—分離機構(常簡稱為分離機構)實現連接和分?。窋S牖構由爆炸螺栓(或爆炸索)和彈射裝置(或小火箭)組成。平時,它們由爆炸螺栓或爆炸索連成一個整體;分離時,爆炸螺栓或爆炸索爆炸,使連接解鎖,然后由彈射裝置或小火箭將兩部分分開,也有借助前面一級火箭發動機啟動后的強大射流分開的。

    火箭最關鍵的還是發動機,火箭發動機就是利用沖量原理,自帶推進劑、不依賴外界空氣的噴氣發動機?;驹硎侨剂显诨鸺l動機內轉化為工質(工作介質)的動能,形成高速射流排出而產生動力。 

    火箭發動機按燃料可以分為化學火箭發動機、核火箭發動機和電火箭發動機?;瘜W火箭發動機是目前技術最成熟,應用最廣泛的發動機。核火箭的原理樣機已經研制成功。電火箭已經在空間推進領域有所應用。后兩類發動機比沖遠高于化學火箭?;瘜W火箭發動機主要由燃燒室和噴管組成,化學推進劑既是能源也是工質,它在燃燒室內將化學能轉為熱能,生成高溫燃氣經噴管膨脹加速,將熱能轉化為氣流動能,以高速(1500—5000米/秒)從噴管排出,產生推力?;瘜W火箭發動機按推進劑的物態又分為液體火箭發動機、固體火箭發動機和混合推進劑火箭發動機。液體火箭發動機使用常溫液態的可貯存推進劑和低溫下呈液態的低溫進劑,具有適應性強、能多次起動等特點,能滿足不同運載火箭和航天器的要求。固體火箭發動機的推進劑采用分子中含有燃料和氧化劑的有機物膠狀固溶體(雙基推進劑)或幾種推進劑組元的混合物(復合推進劑),直接裝在燃燒室內,結構簡單、使用方便、能長期貯存處于待發射狀態適用于各種戰略和戰術導彈?;旌贤七M劑火箭發動機極少使用。

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。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。固體火箭發動機比沖在250—300秒,工作時間短,運俁卻蟮賈巒屏Σ灰卓刂疲重復起動困難,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。 

關于火箭發動機

    固態火箭發動機的燃料是直接安裝在火箭的后部,使用的時候利用點火器引發燃料燃燒,產生推力推送火箭。因為固態火箭燃料不需要額外的燃料槽,也不需要輸送或加壓的管線,在構造上固體火箭發動機比液態火箭發動機要簡單許多,重量也比較輕。然而也因為固態火箭發動機的燃料的量與型態是固定的,要隨意借由調整燃料與氧化劑的量來控制推力非常困難,燃料一但開始作用,若是中斷燃燒的過程,很難重新點燃,因此固態火箭發動機多半使用在推力需求較為固定,一經啟動就不需要停止的設計上面。在設計上需要依靠精確的形:腿劑峽帕@純刂迫忌盞乃俁群筒生的推力。近年來固體因為火箭具有低成本和高發射機動性等優點,受到軍事用戶和低軌小衛星發射商的重視,研究漸熱,也有大量控制推力的辦法發明并得到應用。

關于火箭發動機

不同固體火箭發動機藥芯結構和對應的推力—時間圖

    固態火箭發動機的另外一個好處就是不需要經常維護,燃料雖然也有使用年限,通常需要更換2時間比液態火箭發動機的燃料要長。因此在需要使用的場合,固態火箭發動機的反應和準備時間較短。此外,固態火箭發動機沒有管線或者是加壓設備,對于外界的震蕩或者是碰撞的忍耐程度比液態火箭發動機要高。前蘇聯在發展機動彈道導彈系統的時候就發現,以鐵路運輸的方式,車體2震蕩對于液態火箭發動機的設備損傷很大,固態火箭就沒有這個問題。

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。推進劑通過噴注器注入燃燒室,經霧化,蒸發,混合燃燒等過成生成燃燒產物,以高速(2500—5000米/秒)從噴管中沖出而產生推力。    燃燒室內壓力可達200大氣壓(約200MPa)、溫度3000—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。液體箭發動機的優點是比沖高(250—500秒),推力范圍大(單臺推力在1克力—800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。

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,使其產生高速縉流而產生推力。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(汞頊?、氢谍x┐又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(700—2500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100N。這種發動機僅適用于航天器的姿態控制、位置保持等。 

關于火箭發動機

核火箭發動機

    核火箭發動機(也可以叫核熱火箭發動機)用核燃料作能源,用液氫、液氦、液氨等作為工質。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>經噴管膨脹加速后,以6500—11000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。 

關于火箭發動機

    很多的衛星、探測器和宇宙飛船的壽命很大程度上決定于動力源,目前科學嗣巧杓瞥雋頌陽能離子發動機(電火箭發動機)和太陽帆船。2008年8月,美國宇航局馬歇爾太空飛行中心用“獵鷹1號”火箭將NanoSail-D太陽帆送入太空,結果發射失敗。如果發射成功預計太陽帆船的理論速度可達光速2%。太陽帆船就是利用太陽風把探測器向太陽外部吹去。

離子發動機

    太陽能離子發動機可將太陽能轉化為電能,再通過電能電離惰性氣體原子,噴射出高速氙離子流,為探測器提供主要動力。不過離子發動機的動力不夠強勁,只安裝在一些衛星上作為輔助和備用,主要供衛星調整飛行姿態和軌道?!癝MART-1號”上的太陽能離子發動機動力足夠支持探測器長時間飛行,該發動機能連續正常運轉2000個小時。

關于火箭發動機

    2009年,位于美國得克薩斯州韋伯斯特市的艾德·阿斯特拉火箭公司(Ad Astra Rocket Company)開發出一款截至2009年為止最為強勁的離子發動機。該公司對滿負荷運轉的VASIMR發動機進行了測試——在休斯敦的一個真空室內運行了201千瓦的VX-200發動機,首次通過了200千瓦大關。自2005年創建以來,位于美國得克薩斯州韋伯斯特市的艾德·阿斯特拉火箭公司一直在完善一種名為“可變比沖磁致離子漿火箭”(簡稱VASIMR)的新型發動機。VASIMR發動機使用無線電波加熱氬氣,將其變成熾熱的等離子體——一種使電子不再受限于原子核的物態。接下來,磁場將蟾呶碌壤胱猶迮縞淶椒⒍機后面,令其在反方向產生推力。VASIMR發動機以比常規發動機更快的速率噴射推進劑,使得每公斤燃料產生的加速度更多。離子發動機或許會在5年內被用于維持國際空間站運行軌道,為將來一個月左右抵達火星的新型火箭的問世奠定基礎。艾德·阿斯特拉火箭公司已與美宇航局簽署協議,2013年在國際空間站測試200千瓦VASIMR發動機。艾德·阿斯特拉火箭公司已與美宇航局簽署協議,2013年在國際空間站測試200千瓦VASIMR發動機。VASIMR發動機完成這項任務每年僅需0.3噸氬氣,而使用常規推進器,每年會消耗7.5噸推進劑。因提升國際空間站道而獲得的收入將幫助該公司“進一步完善這項技術,以實現載人火星探測任務?!睋埜A纸榻B,一臺10到20兆瓦VASIMR發動機可以在39天內將宇航員送上火星,而常規火箭則需要六個月甚至更長時間。 

關于火箭發動機

    當然核動力是將來可能是以后發展的方向,衛星用的核電源有兩類:放射性同位素溫差發電器和核反應堆電源。前者功率較小,為幾十至幾百瓦;后者功率較大,可達數千瓦至/十千瓦。

    美國在1965年發射的一顆衛星,用反應堆溫差發電器作為電源,由于電源調節器出現故障僅工作43天。以钚238放射性同位素作熱源的同位素溫差發電器,曾用于“子午儀號”導航衛星、“林肯號”試驗衛星和“雨云號”衛星。這些衛星經過長時間的空間/行后,放射性同位素衰變殆盡,再入大氣層燒毀。美國在1964年4月發射“子午儀號”導航衛星時,因發射失敗衛星所攜帶的放射性同位素源被燒毀,钚238散布在大氣層中并擴散至全球。后來改用特種石墨作同位素源外殼,以防燒毀。1968年5月“雨云號”氣象衛星發射失敗時,核電源落入圣巴巴拉海峽,后被打撈上來。蘇聯在1967—1982年共發射了24顆核動力衛星。衛星帶有以濃縮鈾 235為燃料的熱離子反應堆,功率為5—10千瓦。它們在200多公里的低軌道上工作,完成任務后核反應堆艙段與衛星體分離,并用小型火箭推到大約1000公里的軌道,可運行600年。1978年1月24日,蘇聯“宇宙954號”核動力衛星發生故障,核反應堆艙段未能升高而自然隕落,未燃盡的帶有放射性的衛星碎片散落在加拿大境內,造成嚴重污染。1983年1月“宇宙1402號”核動力衛星發生類似故障,核反應堆艙段在南大西洋上空再入大氣層時完全燒毀。1982年8月30日,蘇聯發射“2宙1402號”核動力海洋監視衛星,與同年10月2日發射的“宇宙1412號”,組成在同一軌道面上飛行成對工作的雙基站雷達衛星。 

    在外行星探測中,由于空間探測器遠離太陽,難以利用太陽電池發電,必須采用核電源。美國在,“先驅者”10號、11號探測器2“旅行者”1號、2號探測器,木星和土星探測器中,都使用了同位素溫差發電器作為電源。2008年,美國軍火工業巨頭諾斯羅普·格魯曼公司目前正在為美國國家宇航局(NASA)研制一種可長時間在軌運行的新型核動力衛星,可能用于探測木星。這顆核動力衛星將被命名為“普羅米修斯”2預計其升空時間將不會早于2012年。我國也有核衛星計劃。 

關于火箭發動機

 

腦洞大一些——反物質發動機

    其次,美國國家航天局正在研究反物質發動機,那么在太陽系內旅行只需要幾毫克反物質(反質子),如果要去比鄰星的話則也只需要幾公斤。在現有的反物質發動機的設計方案有粒子束核心(Beam Core):直接一對一地湮滅,然后以磁場控制帶電介子并把它們直接>噴口噴射出去,由于這些介子的運動速度接近光速,發動機比沖量可能要超過1千萬秒。因為湮滅產生的帶電介子在衰變后變成半衰期更長的帶電μ介子,所以這個辦法完全可行。而且這個方式只需要反物質燃料,不需要其他推進劑。由于湮滅的產物是以接近光速運動的,所以飛船必須造得很長。預計使用粒子束核心反物質發動機的飛船從地球飛到火星只需要24個小時到2個星期(取決于地球和火星在公轉中的相對位置),而要讓目前的使用化學火箭發動機,則需要1到2年。

    目前由于反物質太稀有,而且很難保存,所以要盡量少用反物質,多用核燃茫那么用自然發生的反物質湮滅來觸發核反應比純粹的反物質發動機更接近實際。目前有以下幾種方案:

  1.     ICAN-II(ioncompressed antimatter nuclear II)是由賓州州立大學的反物質太空推進小組(AntimatterSpace Propulsion team)設計的,這種方檬褂昧朔次鎦屎禿肆馴淶慕岷希用反物質來引發裂變。方法是讓反質子撞擊裂變物質的原子核,并同原子核里面的質子湮滅,產生的能量將使原子核分裂,其最終產生的能量要比普通的核裂變要大,估計去火星旅行一番需要140毫微克(1毫微克等于10億分之1克)的反物質,遠遠少于粒子束核心反物質發動機的消耗量。

  2.     AIM是反質子觸發微裂變/聚變的縮寫(AntiprotonInitiated Microfission/fusion),按照賓州州立大學的設想,如果有了比ICAN-II中能得到的稍微多一點的反物質,就可以朝粒子束核心反物質發動機的方向前進一步,反物質來加強裂變,從而加熱聚變燃料引發聚變。這種發動機對反物質的需要量增加了,但需要的裂變物質比較少,而且有比ICAN-II更高的比沖量,大約在61,000秒左右。他們把按這種方式設計的飛船稱為AIM之星(AIMStar),如果能有30—130微克(1微克等于1/1000毫克)的反物質,AIM之星探測飛船能在50年內飛到奧爾特云。

  3.     聚變和反物質的結合,不過需要比AIM方式再多一些的反物質。只有足夠的反物質,我們就可以完全拋棄裂變過程,直接用反物質湮滅產生的能量來觸發慣性約束聚變,而不必像前面介紹慣性約束聚變時那樣使I激光。

  4. 關于火箭發動機


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