不同种类的火箭推进发动机

2023-06-28 理论教育版权反馈

【摘要】：火箭推进发动机根据推进剂的种类分为化学推进剂火箭和非化学推进剂火箭。在这里，根据推进剂的种类分为液体推进剂火箭发动机、固体推进剂火箭发动机以及使用固体燃料与液体氧化剂的混合推进剂火箭发动机。目前，美国或俄罗斯生产的运载火箭，使用主发动机为液体推进剂火箭，并附加组合助推火箭的2级或3级火箭。各级火箭始终进行控制自动运行。

火箭推进发动机根据推进剂（合并燃料和氧化剂的用语）的种类分为化学推进剂火箭和非化学推进剂火箭（图13-1）。

1.化学推进剂火箭发动机

化学推进剂火箭发动机是，把推进剂发生氧化反应所产生的高温、高压燃烧气体从喷管高速喷出获得推力的发动机。在这里，根据推进剂的种类分为液体推进剂火箭发动机、固体推进剂火箭发动机以及使用固体燃料与液体氧化剂的混合推进剂火箭发动机。

（1）液体推进剂火箭发动机液体推进剂火箭发动机（LRE）的推进剂为液体状态，燃料使用液态氢气、汽油、煤油、乙醇等，氧化剂使用液氧，其结构简图如图13-2所示。

图13-1 火箭推进发动机的种类

液体推进剂火箭发动机是把液体推进剂储存在燃料箱中，利用泵或压缩气体的压力供给到燃烧室进行燃烧，并把2500～4100°C的高温燃烧气体从喷管以1800～4300m/s的高速喷出，以获得比固体推进剂火箭大的推力。发动机由推力室（喷射器+燃烧室+喷管）和推进剂供给系统构成。喷管壁面与高温燃烧气体直接接触，因此设置有冷却导管，低温液体推进剂在冷却导管中流动对喷管壁面进行冷却后进入到喷射器。第二次世界大战中，德国开发的V2火箭是使用75%乙醇和25%水混合的液体燃料，氧化剂使用液氧的液体推进剂火箭发动机。目前，美国或俄罗斯生产的运载火箭，使用主发动机为液体推进剂火箭，并附加组合助推火箭的2级或3级火箭。

（2）固体推进剂火箭发动机顾名思义，固体推进剂火箭发动机（SRM）就是推进剂为固体燃料的火箭，由发动机壳体、推进剂药柱、喷管和点火器4大部分构成，在如图13-3所示中显示了其概略图。固体推进剂虽然存在一旦点火就不能调节其推力大小或者燃烧中断后不能再点火等缺点，但具有结构简单、尺寸小、重量轻、制造费用低、储藏便利、发射准备所需时间短等优点。

图13-2 液体推进剂火箭发动机

图13-3 固体推进剂火箭发动机

固体推进剂火箭在惯例上称为固体推进剂火箭发动机（SRM），可以增大推力/重量比和随其的初始速度，因此多使用在小型导弹到大型洲际弹道导弹（ICBM）军用武器系统中。在民间应用方面，从地面发射观测火箭、运载火箭（SLV）时提供初始推力的1级助推火箭等大容量发动机，到确保人造地球卫星从低轨道变更到高轨道等所需的小容量发动机，使用范围较广。美国的运载火箭德尔塔（Delta）系列配备有9个固体推进剂助推火箭。最近，正在开发击落大气层内低高度物体的固体推进剂高速拦截导弹。

图13-4 混合推进剂火箭发动机

（3）混合推进剂火箭发动机混合推进剂火箭发动机为一种典型的使用固体燃料和液体氧化剂的发动机，其结构简图如图13-4所示。液体氧化剂储存在加压燃料箱中，通过氧化剂喷射器喷射在固体推进剂端口。如像固体推进剂火箭发动机利用点火器进行点火，推力是高温燃烧气体通过喷管喷出获得。

2.非化学推进剂火箭发动机

非化学剂推进剂火箭主要有利用核能、太阳能辐射和其他能源，但为了能把这些能量的利用实用化，还有很多待解决的问题。

核能推进是利用原子核反应（核分裂或核融合）生成的热能对推进剂进行加热，把以此产生的高温气体通过固体或自身喷管进行膨胀制造高速喷气获得推力的方式。核分裂火箭从20世纪60年代开始研究，在把氢气作为工质流体的地面试验中，在石墨反应堆中848s中累计推力为980000N，氢气温度约为2500K。但是，存在能耐2600K以上高温的材料、放射能、动力调节装置、反应堆的冷却、高能中间元素的缓和方法、放射能防护装置等设计上的问题。

太阳热辐射能推进是利用太阳能电池、燃料电池等生成的电能对推进剂进行加速获得推力的方式。根据加速方法，分为离子推进装置（静电加速）和等离子推进装置（电子加速）。这些电推进系统发生的是低推力，使用在宇宙航天器的姿势控制、轨道修正、轨道上运行等方面。

其他能源推进装置有激光推进装置。这是从设置在地面或宇宙空间站上的激光储藏装置向装载在航天器上的推进剂照射激光，使推进剂蒸发、加热并高速喷出获得推力的方式。

3.化学火箭发动机的应用

化学火箭发动机可以获得很大的推力和做到多级火箭，不仅作为运载火箭的发动机，还使用在宇宙飞船的轨道修正、固定飞行等方面。除了运载火箭（或宇宙飞船）外，还使用在航空器、导弹、起飞辅助装置（火箭发动机和冲压式发动机的助推火箭）上。

（1）运载火箭发动机化学火箭发动机主要作为运载火箭发动机（发射发动机），正开发应用很多种类型。在此对几种运载火箭发动机举例说明。

土星5号是3级液体推进剂火箭，是发射阿波罗宇宙飞船的运载火箭名称。各级火箭始终进行控制自动运行。1级使用RP-1（碳氢燃料），2级、3级均使用液氢/液氧（LH₂/LO₂）燃料，各自产生7570000lb、570000lb、11125000lb的推力。土星5号运载火箭的重量为包括有效载荷（运送到宇宙的货物）约为6262000lb。离地时，重量对推力比为7570/6262=1.209。这表示运载火箭为了进行加速，产生比初始重量大20%以上的推力。

航天飞机运载火箭由如轨道飞行器、外部燃料箱（ET）和固体推进剂火箭（SRBs）三大部分构成。配备有3个主发动机（SSME），在海平面上各自产生375000lb的推力。主发动机利用外部燃料箱供给的液氢/液氧燃料运行约8.5min，发射后约8.5min轨道飞行器进入第一轨道时，外部燃料箱燃料耗尽被分离并返回地球大气层。外部燃料箱是航天飞机唯一的不能重复使用的消耗性部件。

（2）助推火箭发动机助推火箭发动机是在运载火箭上简单附加的推力系统，是补充推力用发动机。如，在航天飞机运载火箭上使用的两个固体推进剂火箭助推器（SRBs），从发射开始运行123s（约2min），各自产生2700000lb的推力，以补充主发动机推力的不足。此后从外部燃料箱被分离降落到海上。降落到海上的孔助推火箭进行回收，并在下一次航天飞机发射中重复使用。

（3）宇宙飞船机动发动机宇宙飞船机动发动机是为了宇宙飞船在宇宙中修正轨道、重进入轨道、轨道保持（运行）等飞行而使用的发动机。航天飞机配备有两个轨道飞行器机动系统。

（4）姿态控制火箭姿态控制火箭是为了调整航天器的飞行姿态而使用的火箭。航天飞机配备有38个主推进发动机和6个轨道修正推进发动机（辅助发动机）。这些反作用推力发动机的运行时间为从几微秒到几秒钟之间。

不同种类的火箭推进发动机

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