火箭發(fā)動機工作原理.doc

火箭發(fā)動機工作原理迄今為止，人類從事的最神奇的事業(yè)就是太空探索了。它的神奇之處很大程度上是因為它的復雜性。太空探索是非常復雜的，因為其中有太多的問題需要解決，有太多的障礙需要克服。所面臨的問題包括： 太空的真空環(huán)境 熱量處理問題 重返大氣層的難題 軌道力學 微小隕石和太空碎片 宇宙輻射和太陽輻射 在無重力環(huán)境下為衛(wèi)生設施提供后勤保障 但在所有這些問題中，最重要的還是如何產(chǎn)生足夠的能量使太空船飛離地面。于是火箭發(fā)動機應運而生。 一方面，火箭發(fā)動機是如此簡單，您完全可以自行制造和發(fā)射火箭模型，所需的成本極低（有關詳細信息，請參見本文最后一頁上的鏈接）。而另一方面，火箭發(fā)動機（及其燃料系統(tǒng)）又是如此復雜，目前只有三個國家曾將自己的宇航員送入軌道。在本文中，我們將對火箭發(fā)動機進行探討，以了解它們的工作原理以及一些與之相關的復雜問題。 火箭發(fā)動機基本原理當大多數(shù)人想到馬達或發(fā)動機時，會認為它們與旋轉(zhuǎn)有關。例如，汽車里的往復式汽油發(fā)動機會產(chǎn)生轉(zhuǎn)動能量以驅(qū)動車輪。電動馬達產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動能量則用來驅(qū)動風扇或轉(zhuǎn)動磁盤。蒸汽發(fā)動機也用來完成同樣的工作，蒸汽輪機和大多數(shù)燃氣輪機也是如此。 火箭發(fā)動機則與之有著根本的區(qū)別。它是一種反作用力式發(fā)動機?；鸺l(fā)動機是以一條著名的牛頓定律作為基本驅(qū)動原理的，該定律認為“每個作用力都有一個大小相等、方向相反的反作用力”?；鸺l(fā)動機向一個方向拋射物質(zhì)，結(jié)果會獲得另一個方向的反作用力。 開始時您可能很難理解“拋射物質(zhì)，獲得反作用力”這個概念，因為這好像 和真實情況不大一樣?；鸺l(fā)動機似乎只會發(fā)出火焰和噪音，制造壓力，而與“拋射物質(zhì)”沒什么關系。我們來看幾個例子，以便更好地了解真實情況： 如果您曾經(jīng)使用過獵槍，特別是那種12鉛徑的大獵槍，那么您就知道它會產(chǎn)生巨大的“撞擊力”。也就是說，當您開槍時，獵槍會狠狠地向后“撞擊”您的肩膀。這種撞擊力就是反作用力。獵槍將31.1克的金屬以大約1120公里/小時的速度沿某個方向發(fā)射出去，同時您的肩膀會受到反作用力的撞擊。如果您開槍時穿著輪滑鞋或站在滑雪板上，槍會起到類似于火箭發(fā)動機的作用，反作用力會使您向相反的方向滑動。 如果您見過粗大的消防水管噴水的場景，可能會注意到消防員要花很大的力氣才能抓住它（有時您會看到有兩名或三名消防員手持同一根消防水管）。水管發(fā)生的情況與火箭發(fā)動機類似。水管向一個方向噴水，消防員們則運用自身的力量和重量來克服反作用力。如果他們放開水管，那么水管會勁頭十足地四處亂撞。如果消防員全都站在滑雪板上，水管將推動他們以極快的速度向后移動。 如果您吹起一個氣球，然后放開它，那么它會滿屋子亂飛，直到里面的空氣漏光為止，這就是您制造的火箭發(fā)動機。在這種情況下，被拋射出去的是氣球中的空氣分子。與許多人的想法不同，空氣分子其實是有質(zhì)量的（請查看有關氦的頁面，以便更好地了解空氣質(zhì)量的問題）。如果您讓空氣從氣球的噴口中噴出來，氣球的其余部分則會向相反的方向運動。 太空棒球賽的場景想像下面的情景：您穿著一套太空服，飄浮在航天飛機外的太空中，您的手中恰好有一個棒球。 如果您把棒球扔出去，反作用力會使您的身體朝與棒球相反的方向移動。身體離開的速度，是由您扔出的棒球的質(zhì)量和您使它獲得的加速度決定的。質(zhì)量與加速度相乘即為作用力的大小(f=m*a)。無論您向棒球施加的力有多大，它和作用在您身體上的反作用力總是大小相等(m*a=m*a)。所以，我們不妨假設棒球的質(zhì)量為1磅，而您的身體與太空服的總質(zhì)量為100磅。您以9.75米/秒（33.8公里/小時）的速度將棒球扔出去。也就是說，您用手臂加速質(zhì)量為1磅的棒球，使它獲得33.8公里/小時的速度。您的身體將受到反作用力，但身體的質(zhì)量是棒球的100倍。因此，它向相反方向運動的速度是棒球的百分之一，即0.098米/秒（0.338公里/小時）。 如果想讓棒球產(chǎn)生更大的推力，您有兩個選擇：增大棒球的質(zhì)量或提高它的加速度。您可以扔出一個質(zhì)量更大的棒球，或接連不斷地扔出多個棒球（增大質(zhì)量），也可以用更快的速度將棒球扔出去（提高它的加速度）。不過，您能采取的方法也僅此而已。 NASA 供圖這是在美國密西西比州的漢考克郡進行的一次發(fā)射測試中，由一臺遠程照相機拍攝的航天飛機主發(fā)動機的特寫照片?；鸺l(fā)動機通常拋射的是高壓氣體形式的物質(zhì)。發(fā)動機向某個方向噴出氣體物質(zhì)，以獲得相反方向的反作用力。這些物質(zhì)來自火箭發(fā)動機燃燒的燃料。燃燒過程使燃料物質(zhì)得以加速，使之以極高的速度從火箭噴口噴出。燃料在燃燒過程中由固態(tài)或液態(tài)轉(zhuǎn)化為氣體，但并不會使其質(zhì)量發(fā)生變化。如果您燃燒一斤火箭燃料，那么就有一斤排出物以高溫高速的氣體形式從噴口噴出。形態(tài)發(fā)生了改變，但質(zhì)量則保持不變。而燃燒過程會加快物質(zhì)的速度。 下面我們來了解有關推力的更多知識。推力和固體燃料火箭火箭發(fā)動機的“力量”稱為推力。在美國，推力的單位是“推力磅數(shù)”，而在公制中則以“牛頓”為單位（4.45牛頓的推力與1磅推力相近）。1磅推力相當于使地球上質(zhì)量為1磅的物體克服重力作用以保持靜止所需的推力。在地球上，重力加速度為9.75米/秒（33.8公里/小時）。如果您帶著一袋棒球（假設每個棒球的質(zhì)量為1磅）漂浮在太空中，并且每秒扔出一個棒球，使它與您的相對速度為33.8公里/小時，那么每個棒球?qū)a(chǎn)生相當于1磅的推力。如果您以67.6公里/小時的速度擲出棒球，那么您產(chǎn)生的推力為2磅。如果您以3380公里/小時的速度擲出它們（可能是用某種“棒球炮”來發(fā)射它們的），那么您將會產(chǎn)生100磅的推力，以此類推。 關于火箭，有一個有趣的問題：由于發(fā)動機拋射的物體實際上是有質(zhì)量的，因此火箭必須攜帶這些質(zhì)量。因此，我們假設您希望每秒擲出一個相對速度為3380公里/小時的棒球來生成100磅的推力，并持續(xù)1小時。這意味著您開始時必須攜帶3,600個質(zhì)量為1磅的棒球（因為1小時有3,600秒），或總質(zhì)量為3,600磅的多個棒球。由于您穿著太空服時的總質(zhì)量只有100磅，于是您會發(fā)現(xiàn)“燃料”的質(zhì)量遠遠大于有效負荷（也就是您）。實際上，燃料的質(zhì)量是有效負荷的36倍。而這是個常見的現(xiàn)象。這就是為什么目前必須用一枚巨大的火箭來將一個質(zhì)量很小的人發(fā)射到太空火箭必須攜帶大量燃料。 航天飛機 您可以清楚地看到這個質(zhì)量方程式在航天飛機上的應用。如果您曾經(jīng)目睹過航天飛機的發(fā)射，您就知道其中包含三個部分： 軌道飛行器 大型外貯箱 兩部固體火箭助推器（SRB） 軌道飛行器的空載質(zhì)量為165,000磅（1磅 = 0.45公斤）。外貯箱的空載質(zhì)量為78,100磅。兩部固體火箭助推器，每一部的空載質(zhì)量均為185,000磅。但接下來您必須向其中裝入燃料。每部固體火箭助推器將容納100萬磅燃料。外貯箱裝有143,000加侖（1加侖 = 3.79升）液氧（1,359,000磅）和 383,000加侖液氫（226,000磅）。包括航天飛機、外貯箱、固體火箭推進器外殼和所有燃料在內(nèi)的整個飛行器在發(fā)射時的總質(zhì)量為440萬磅。用440萬磅將165,000磅送入軌道，這簡直是天壤之別。說實話，軌道飛行器還可以承載65,000磅的有效負荷（最大體積為4.5 x 18米），但質(zhì)量的差別仍然很大。燃料的質(zhì)量大約是軌道飛行器的20倍。 參考資料：航天飛機操作員手冊 航天飛機的所有燃料都是從它的后部噴出的，噴射速度約為9600公里/小時（化學火箭通常的噴射速度在8,000至16,000公里/小時之間）。每次發(fā)射時，SRB大約燃燒兩分鐘，產(chǎn)生約330萬磅的推力（整個燃燒過程的平均推力為265萬磅）。三臺主發(fā)動機（使用外貯箱中的燃料）大約燃燒八分鐘，燃燒期間每臺發(fā)動機產(chǎn)生375,000磅的推力。 固體燃料火箭：混合燃料固體燃料火箭發(fā)動機是人類制造的第一種發(fā)動機。它在幾百年前由中國人發(fā)明，從那以后一直得到廣泛的應用。美國國歌（創(chuàng)作于19世紀初）中有“火箭發(fā)出紅焰”(the rockets red glare)這句歌詞，它說的是用來發(fā)射炸彈或燃燒彈的小型軍用固體燃料火箭。由此可以看出固體燃料火箭已經(jīng)有了相當長的使用歷史。 簡單固體燃料火箭背后的原理十分淺顯。您要做的就是制造出一種既能迅速燃燒又不會爆炸的物質(zhì)。眾所周知，火藥會發(fā)生爆炸?；鹚幱?5%的硝石、15%的碳和10%的硫磺組成。在火箭發(fā)動機中，您不希望發(fā)生爆炸，而是想讓能量在一段時間內(nèi)均勻地釋放出來。因此您可以將混合比例改成72%的硝石、24%的碳和4%的硫磺。這種情況下，您得到的不是火藥，而是簡單的火箭燃料。這種混合物的燃燒速度極快，但如果采用了適當?shù)难b填方式，它就不會爆炸。下面是一幅典型的剖面圖： 一枚固體燃料火箭在點火之前和之后的情景 您在左邊看到的是點火之前的火箭。固體燃料用綠色表示。它是圓柱形的，中間被鉆出一條管道。當您點燃燃料時，它將沿著管道內(nèi)壁燃燒。在這一過程中，燃料會朝著外殼的方向向外燃燒，直到所有燃料燃盡為止。在小型火箭發(fā)動機模型或瓶式微型火箭中，燃燒的持續(xù)時間可能只有一秒鐘或更短。在一部裝有100萬磅燃料的航天飛機SRB中，燃燒過程將持續(xù)約兩分鐘。 固體燃料火箭：管道結(jié)構當您閱讀關于高級固體燃料火箭（如航天飛機的固體火箭推進器）的文章時，常會讀到類似下面的內(nèi)容： 各個SRB發(fā)動機中的混合推進劑是由高氯酸銨（氧化劑，占總質(zhì)量的69.6%）、鋁（燃料，16%）、氧化鐵（催化劑，0.4%）、聚合物（將混合物結(jié)合在一起的粘結(jié)劑，12.04%）和環(huán)氧固化劑(1.96%)混合而成的。推進劑在前發(fā)動機段有一個十一角星形的孔，而在每個尾段和后蓋中，孔的形狀則像截去兩頭的雙圓錐。這種結(jié)構能在點火時提供巨大的推力，并在升空50秒后降低約三分之一的推力，以免在出現(xiàn)最大動態(tài)壓力的時間段內(nèi)使飛行器處于超負載狀態(tài)。 這段文字不僅討論了混合燃料，而且還介紹了燃料中央所鉆的管道的結(jié)構。“十一角星形的孔”如下圖所示： 它的原理是增大管道的表面積，從而增大燃燒區(qū)域并進而提高推力。當燃料燃燒時，孔的形狀會均勻向外擴展，形成一個圓形。對于SRB來說，這種結(jié)構會為發(fā)動機提供較高的初始推力，而在飛行中段的推力則較低。 固體燃料火箭發(fā)動機有三個重要的優(yōu)點： 簡單 成本低 安全 它們也有兩個缺點： 無法控制推力。 一旦點火，發(fā)動機就無法停止或重新啟動。 這些缺點意味著固體燃料火箭只能用于短期任務（如導彈）或推進器系統(tǒng)。如果您需要控制發(fā)動機，則必須使用液體推進劑系統(tǒng)。下面我們來了解這方面的知識及其他可能的燃料。液體推進劑及其他類型的火箭1926年，羅伯特高德(Robert Goddard)進行了第一臺液體推進劑火箭發(fā)動機的測試。他的發(fā)動機使用了汽油和液氧。他還研究并解決了火箭發(fā)動機設計領域的許多基本問題，包括燃料抽運機制、冷卻策略和導向裝置的布局。這些問題也是導致液體推進火箭如此復雜的原因。 美國航空航天局 (NASA) 供圖羅伯特高德博士和他的液氧-汽油火箭，該火箭采用了發(fā)射架，于1926年3月16日在美國馬薩諸塞州的奧本市發(fā)射。它只飛行了2.5秒，在爬升了12.3米后，掉落在55.2米外的卷心菜菜田里?；鸺l(fā)動機的基本原理很簡單。在大多數(shù)液體推進劑火箭發(fā)動機中，燃料和氧化劑（如汽油和液氧）會被抽取到燃燒室中。在那里，它們會燃燒并產(chǎn)生一股速度極快的高壓熱蒸汽。這些蒸汽流過一個噴口以便進一步提高它們的速度（噴出時的速度通常為8,000-16,000公里/小時），之后就會離開發(fā)動機。下面這幅高度簡化的圖解顯示了火箭發(fā)動機的基本組成部分。 這幅圖沒有將普通發(fā)動機的實際復雜性表現(xiàn)出來（請單擊頁面底部的鏈接，查看真實發(fā)動機的圖片和說明）。例如，氧化劑或燃料往往是低溫的液化氣體，如液氫或液氧。燃燒室和噴口的冷卻是液體推進劑火箭發(fā)動機的一大難題，為此，首先要讓低溫液體圍繞溫度極高的零件循環(huán)流動，給它們降溫。泵必須產(chǎn)生極高的壓力才能克服燃燒室中因燃料燃燒產(chǎn)生的壓力。航天飛機的主發(fā)動機實際上采用了兩級抽運流程，第二級泵是通過燃料燃燒來驅(qū)動的。所有這些抽運和冷卻流程使普通的液體推進劑發(fā)動機看起來更像是一項雜亂無章的管道工程。液體推進劑火箭發(fā)動機可以使用各種類型的燃料組合。例如：液氫和液氧用在航天飛機的主發(fā)動機中 汽油和液氧用在高德制造的早期火箭中 煤油和液氧用在阿波羅計劃的土星五號大型推進器的第一級中 酒精和液氧用在德國的V2火箭中 四氧化氮/甲基肼用在卡西尼號探測器的發(fā)動機中 其他可能的組合我們經(jīng)常見到化學火箭發(fā)動機靠燃燒燃料來產(chǎn)生推力。不過，還有許多其他方法可以產(chǎn)生推力。任何能夠拋射物體的系統(tǒng)都能做到這一點。如果您能找到一種將棒球加速到極高速度的方法，那么您就有了一種可行的火箭發(fā)動機。這種方法的唯一問題是，棒球“排出物”（這里指讓高速棒球運動的物質(zhì)）會在太空中繼續(xù)運動。由于這個小小的問題，火箭發(fā)動機設計師們傾向于讓氣體作為排出物。許多火箭發(fā)動機的體積很小。例如，人造衛(wèi)星上的姿態(tài)推進器無需產(chǎn)生太大的推力。人造衛(wèi)星常用的一種發(fā)動機設計是高壓氮氣推進器，它完全不使用“