固體火箭發動機

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。

  • 中文名稱
    固體火箭發動機
  • 外文名稱
    Solid propellant rocket engine
  • 屬    于
    化學火箭發動機
  • 承受溫度
    2500~3500度

正文

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。

固體火箭發動機由葯柱、燃燒室、噴管組件和點火裝置等組成。葯柱是由推進劑與少量增加劑製成的中空圓柱體(中空部分為燃燒面,其橫截面形狀有圓形、星形等)。葯柱置于燃燒室(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、鈦合金或復合材料製造,並在葯柱與燃燒內壁間裝備隔熱襯。

點火裝置用于點燃葯柱,通常由電發火管和火葯盒(裝黑火葯或煙火劑)組成。通電後由電熱絲點燃黑火葯,再由黑火葯點火燃葯拄。

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

固體火箭發動機

配圖

固體火箭發動機固體火箭發動機

固體火箭發動機的基本原理

火箭是以熱氣流高速向後噴出,利用產生的反作用力向前運動的噴氣推進裝置。通常火箭一詞也包括飛彈、航天

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器,甚至煙花焰火。最常見的火箭燃燒的是固體或液體的化學推進劑。推進劑燃燒產生熱氣,通過噴口向火箭後部噴出氣流。火箭自帶燃料氧化劑,而其他各種噴氣發動機僅須攜帶燃料,燃料燃燒所須的氧取自空氣中。所以,火箭可以在地球大氣層以外使用,而其他噴氣發動機不能。火箭發射時產生巨大的推力使火箭在很短的時間內迅速升入高空,隨著燃料不斷減少,火箭自身質量逐漸減小,在與地球距離增大的同時,質量和重力影響不斷下降,火箭速度也因此越來越快。“土星”5號火箭啓程登月時,5台發動機每秒鍾消耗近3噸煤油,它們產生的推力相當于32架波音747的起飛推力。無法確定火箭發明的確切時間。大部分專家認為中國人早在13世紀就研製出了實用的軍用火箭。19世紀出現了幾項重大技術進步:燃料容器的紙殼改為金屬殼,延長了燃燒的持續時間;火葯推進劑的配方標準化;製造出發射台;發現了自旋導向原理等等。19世紀末,火箭開始用于非軍事目的,如用火箭攜帶救生索飛向海上遇難船隻。19世紀末20世紀初美國科學家戈達德和其他幾位專家奠定了現代火箭技術的基礎,並發射了第一枚液體燃料火箭。20世紀70年代,美國研製出全新的火箭動力航天運載工具即太空梭。它主要分3個部分:機身後部裝有3台主發動機的軌道飛行器;裝有液氫和液氧推進劑的外掛燃料箱(5分鍾後脫落),保證主發動機工作;裝有2台可分離的固體燃料火箭發動機(2分鍾後脫落),它們與軌道飛行器主發動機同時啓動,提供初始升空階段的推力。1981年4月12日,人類第一架太空梭“哥倫比亞”號發射升空。 火箭是依靠火箭發動機噴射工質產生的反作用力推進的飛行器。它自身攜帶燃燒劑與氧化劑,不依賴空氣中的氧助燃,既可在大氣中,又可在外層空間飛行。火箭在飛行過程中隨著火箭推進劑的消耗,其質量不斷減小,是變質量飛行體。現代火箭可用作快速遠距離運送工具,如作為探空、發射人造衛星、載人飛船、空間站的運載工具,以及其他飛行器的助推器等。如用于投送作戰用的戰鬥部(彈頭),便構成火箭武器。其中可以製導的稱為飛彈,無製導的稱為火箭彈。

簡史火箭起源于中國,是中國古代的重大發明之一。中國古代火葯的發明與使用,為火箭的發明創造了條件。北宋後期,民間流行的可升空的“流星”(後稱“起火”),就利用了火葯燃氣的反作用力。按其工作原理,“流星”一類的煙火就是世界上最早用于觀賞的火箭。南宋時期,不遲于12世紀中葉出現了軍用火箭。到了明代初年,軍用火箭已經相當完善並被用于戰場,稱為“軍中利器”。明初時期的兵書《火龍神器陣法》和明代晚期的兵書《武備志》等有關文獻,都詳細記載了中國古代火箭的製作和使用情況,僅《武備志》就記載了20多種火葯火箭,其中“火龍出水”火箭已是二級火箭的雛形。

中國古代火箭技術傳到歐洲之後,經改進,火箭曾被列為軍隊的裝備。早期的火箭射程近、落點散布大,以後被火炮代替。第一次世界大戰後,隨著科學技術的不斷進步,火箭武器得到迅速發展,並在第二次世界大戰中發揮了威力。

19世紀末20世紀初,液體火箭技術開始興起。1903年,俄國的К.E.齊奧爾科夫斯基提出了製造大型液體火箭的構想和設計原理。1926年,美國的火箭專家、物理學家R.H.戈達德試飛了第一枚無控液體火箭。1944年,德國首次將有控的、用液體火箭發動機推進的V—2飛彈用于戰爭。第二次世界大戰以後,蘇聯和美國等相繼研製出糗括洲際彈道飛彈在內的各種火箭武器。

中國于20世紀50年代開始研製新型火箭。1970年4月24日,用“長征”1號三級運載火箭成功地發射了第一顆人造地球衛星。1975年11月26日,用更大推力的“長征”2號運載火箭(圖1)發射了可回收的重型衛星。1980年5月18日,向南太平洋海域成功地發射了新型火箭。1982年10月,潛艇水下發射火箭又獲成功。1984年4月8日,用第三級裝液氫液氧火箭發動機的“長征”3號運載火箭(圖2)成功地發射了地球同步試驗通信衛星。1988年9月7日,用“長征”4號運載火箭(圖3)將氣象衛星成功地送入太陽同步軌道。1992年8月14日,新研製的“長征”2號E捆綁式大推力運載火箭又將澳大利亞的奧賽特B1衛星送入預定軌道。這些都表明火箭發源地的中國,在現代火箭技術領域已跨入世界先進行列,並已穩步地進入國際發射服務市場。

在發展現代火箭技術方面,中國的錢學森、美國的W.von布勞恩和蘇聯的S.P.科羅廖夫等都做出了傑出的貢獻。

分類與組成火箭可按不同方法分類。按能源不同,分為化學火箭,核火箭,電火箭以及光子火箭等。化學火箭又分為液體推進劑火箭、固體推進劑火箭和固液混合推進劑火箭。按用途不同分為衛星運載火箭、布雷火箭、氣象火箭、防雹火箭以及各類軍用火箭等。按有無控製分為有控火箭和無控火箭。按級數分為單級火箭和多級火箭。按射程分為近程火箭、中程火箭和遠程火箭等。火箭的分類方法雖然很多,但其組成部分及工作原理是基本相同的。

火箭的基本組成部分有推進系統、箭體和有效載荷。有控火箭還裝有製導系統。

火箭推進系統是火箭賴以飛行的動力源。其中火箭發動機按其工質,可分為化學火箭發動機、核火箭發動機、電火箭發動機和光子火箭發動機等。廣泛使用的是化學火箭發動機,它是依靠推進劑在燃燒室內進行化學反應釋放出來的能量轉化為推力的。推力與推進劑每秒消耗量之比稱為比沖,它是發動機性能的主要指標,其高低與發動機設計、製造水準有關,但主要取決于所選用的推進劑的性能。火箭發動機的推力,是根據其特點和用途選定的,其大小相差很大,小到微牛,如電火箭發動機;大到十幾兆牛,如美國太空梭的固體火箭助推器。

對有控火箭而言,為保證火箭準確地導向目標,還裝有製導系統。製導系統控製火箭的質心運動和繞質心的轉動(俯仰、偏航與捲動),將火箭穩定而精確地導向目標。製導系統的日臻完善和製導精度的不斷提高,是火箭技術發展的一大特點。

箭體用來安裝和連線火箭各個系統,並容納推進劑。箭體除要求具有良好的空氣動力外形外,還要求在既定功能不變的前提下,質量越輕越好,體積越小越好。在起飛質量一定時,結構質量輕,則可獲得較大的飛行速度或射程。

運載火箭的有效載荷有人造衛星、飛船或空間探測器等航天器。火箭武器的有效載荷就是戰鬥部(彈頭)。

為成功地發射火箭,還必須有地面發射設備和發射設施。地面發射設備有大有小。小的可手提肩扛,如攜帶型防空火箭和反坦克火箭的發射筒(架);大的如衛星運載火箭,則需有固定的發射場和龐大的發射設施,以及飛行跟蹤測控台站等。

現狀與發展趨勢20世紀50年代以來,火箭技術得到了迅速發展和廣泛套用,其中尤以各類可控火箭武器(飛彈)和空間運載火箭發展最為迅速。從火箭彈到反坦克飛彈、反飛機飛彈和反艦飛彈以及攻擊地面固定目標的各類戰術飛彈和戰略飛彈,均已發展到相當完善的程度,已成為現代軍隊不可缺少的武器裝備。各類火箭武器正在繼續向提高命中精度、抗幹擾能力、突防能力和生存能力的方向發展。此外,反飛彈、反衛星等火箭武器也正在研製和發展之中,在地地彈道飛彈基礎上發展起來的運載火箭,已廣泛用于發射衛星、載人飛船和其他航天器等。80年代初,蘇、美兩國已經分別研製出六、七個系列的運載火箭。其中,美國載人登月的“土星”5號火箭,直徑10米,長111米,起飛質量約2930噸,近地軌道運載能力為127噸。蘇聯的“能源”號火箭,起飛質量約2000噸,近地軌道運載能力約為100噸。中國的“長征”2號E火箭(圖5),採用了並聯助推技術,不僅提高了運載能力,還為進一步發展更大運載能力的火箭奠定基礎。運載火箭正向著高可靠性、低成本、多用途和多次使用的方向發展。可多次往返于太空和地球之間的太空梭的問世就是這一發展趨勢的體現。火箭技術的飛速發展,不僅可提供更加完善的各類飛彈和推動相關科學的發展,還將使開發空間資源、建立空間產業、空間基地及星際航行等成為可能。

火箭發動機的原理

推進劑(工質)被加速,產生反作用力

產生高溫高壓推進氣體的能量來自化學能,就稱為化學火箭發動機

化學火箭發動機可分為固體、液體和固液混和發動機,隻是按推進劑種類分的,基本原理上沒差別

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