火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

 　　火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是我國(guó)勞動(dòng)人民首先創(chuàng)造出來的。早在唐代初年(約在七世紀(jì)）火藥就出現(xiàn)了，南宋時(shí)代火藥用來制造煙火，其中包括“起花”。大約在十三世紀(jì)制成火箭。我國(guó)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(xiàn)代的固體燃料火箭是一樣的。

　　同空氣噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的最大特點(diǎn)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(nèi)，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(fā)動(dòng)機(jī)都做不到的。目前發(fā)射的人造衛(wèi)星、 月球飛船以及各種宇宙飛行器所用的推進(jìn)裝置，都是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　現(xiàn)代火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要分固體推進(jìn)劑和液體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)。所謂“推進(jìn)劑”就是燃料（燃燒劑）加氧化劑的合稱。

　　一、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

　　固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)為使用固體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。固體推進(jìn)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(fā)動(dòng)機(jī)由藥柱、燃燒室、噴管組件和點(diǎn)火裝置等組成。藥柱是由推進(jìn)劑與少量添加劑制成的中空?qǐng)A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(fā)動(dòng)機(jī)殼體）中。在推進(jìn)劑燃燒時(shí)，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(qiáng)度合金鋼、鈦合金或復(fù)合材料制造，并在藥柱與燃燒內(nèi)壁間裝備隔熱襯。

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

　　噴管除使燃?xì)馀蛎浖铀佼a(chǎn)生推力外，為了控制推力方向，常與推力向量控制系統(tǒng)組成噴管組件。該系統(tǒng)能改變?nèi)細(xì)鈬娚浣嵌�，從而�?shí)現(xiàn)推力方向的改變。

　　藥柱燃燒完畢，發(fā)動(dòng)機(jī)便停止工作。

　　固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)與液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)相比較，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，推進(jìn)劑密度大，推進(jìn)劑可以儲(chǔ)存在燃燒到中常備待用和操縱方便可靠等優(yōu)點(diǎn)。缺點(diǎn)是“比沖”�。ㄒ步斜韧屏Γ�是發(fā)動(dòng)機(jī)推力與每秒消耗推進(jìn)劑重量的比值，單位為秒）。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)比沖在250～300秒，工作時(shí)間短，加速度大導(dǎo)致推力不易控制，重復(fù)起動(dòng)困難，從而不利于載人飛行。

　　固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要用作火箭彈、導(dǎo)彈和探空火箭的發(fā)動(dòng)機(jī)，以及航天器發(fā)射和飛機(jī)起飛的助推發(fā)動(dòng)機(jī)。

　　二、液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

　　液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是指液體推進(jìn)劑的化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。常用的液體氧化劑有液態(tài)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(chǔ)存在不同的儲(chǔ)箱中。

　　液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)一般由推力室、推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)、發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)組成。

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

　　推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)的功用是按要求的流量和壓力向燃燒室輸送推進(jìn)劑。按輸送方式不同，有擠壓式（氣壓式）和泵壓式兩類供應(yīng)系統(tǒng)。擠壓式供應(yīng)系統(tǒng)是利用高壓氣體經(jīng)減壓器減壓后（氧化劑、燃燒劑的流量是靠減壓器調(diào)定的壓力控制）進(jìn)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(yīng)系統(tǒng)只用于小推力發(fā)動(dòng)機(jī)。大推力發(fā)動(dòng)機(jī)則用泵壓式供應(yīng)系統(tǒng)，這種系統(tǒng)是用液壓泵輸送推進(jìn)劑。

　　發(fā)動(dòng)機(jī)控制系統(tǒng)的功用是對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)的工作程序和工作參數(shù)進(jìn)行調(diào)節(jié)和控制。工作程序包括發(fā)動(dòng)機(jī)起動(dòng)、工作。關(guān)機(jī)三個(gè)階段，這一過程是按預(yù)定程序自動(dòng)進(jìn)行的。工作參數(shù)主要指推力大小、推進(jìn)劑的混合比。

　　液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的優(yōu)點(diǎn)是比沖高（25O～5OO秒），推力范圍大（單臺(tái)推力在1克力～700噸力）、能反復(fù)起動(dòng)、能控制推力大小、工作時(shí)間較長(zhǎng)等。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)主要用作航天器發(fā)射、姿態(tài)修正與控制、軌道轉(zhuǎn)移等。

　　三、其他能源的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)

　�。ㄒ唬╇娀鸺�發(fā)動(dòng)機(jī)
　　電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是利用電能加速工質(zhì)，形成高速射流而產(chǎn)生推力的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。與化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)不同，這種發(fā)動(dòng)機(jī)的能源和工質(zhì)是分開的。電能由飛行器提供，一般由太陽能、核能、化學(xué)能經(jīng)轉(zhuǎn)換裝置得到。工質(zhì)有氫、氮、氬、汞、氨等氣體。

　　電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由電源、電源交換器、電源調(diào)節(jié)器、工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)和電推力器組成。電源和電源交換器供給電能；電源調(diào)節(jié)器的功用是按預(yù)定程序起動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)，并不斷調(diào)整電推力器的各種參數(shù)，使發(fā)動(dòng)機(jī)始終處于規(guī)定的工作狀態(tài)；工質(zhì)供應(yīng)系統(tǒng)則是貯存工質(zhì)和輸送工質(zhì)；電推力器的作用是將電能轉(zhuǎn)換成工質(zhì)的動(dòng)能，使其產(chǎn)生高速噴氣流而產(chǎn)生推力。

　　按加速工質(zhì)的方式不同，電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)有電熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和電磁火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的三種類型。電熱火箭發(fā)動(dòng)機(jī)利用電能加熱（電阻加熱或電弧加熱）工質(zhì)（氫、胺、肼等），使其氣化；經(jīng)噴管膨脹加速后，由噴口排出而產(chǎn)生推力。靜電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的工質(zhì)（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(chǎng)作用下加速成高速離子流而產(chǎn)生推力。電磁火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是利用電磁場(chǎng)加速被電離工質(zhì)而產(chǎn)生射流，形成推力。電火箭發(fā)動(dòng)機(jī)具有極高的比沖（70O～250O秒）、極長(zhǎng)的壽命（可重復(fù)起動(dòng)上萬次、累計(jì)工作可達(dá)上萬小時(shí)）。但產(chǎn)生的推力小于10ON。這種發(fā)動(dòng)機(jī)僅適用于航天器的姿態(tài)控制、位置保持等。 

　�。ǘ�）核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
　　核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)用核燃料作能源，用液氫、液氦、液氨等作工質(zhì)。核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)由裝在推力室中的核反應(yīng)堆、冷卻噴管、工質(zhì)輸送系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等組成。在核反應(yīng)堆中，核能轉(zhuǎn)變成熱能以加熱工質(zhì)，被加熱的工質(zhì)經(jīng)噴管膨脹加速后，以6500～1100O米／秒的速度從噴口排出而產(chǎn)生推力。核火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的比沖高（250～1000秒）壽命長(zhǎng)，但技術(shù)復(fù)雜，只適用于長(zhǎng)期工作的航天器。這種發(fā)動(dòng)機(jī)由于核輻射防護(hù)、排氣污染、反應(yīng)堆控制，以及高效熱能交換器的設(shè)計(jì)等問題未能解決，至今仍處于試驗(yàn)之中。此外，太陽加熱式和光子火箭發(fā)動(dòng)機(jī)尚處于理論探索階段。

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