火箭是用什么发动机(火箭是发动机吗)

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火箭的动力来自于火箭发动机,可以说,火箭能够一飞冲天就是火箭发动机“努力”发力的结果。事实上,火箭上的发动机有很多,不仅大小不同,而且功能各异。我们来举例说明,为火箭插上飞翔的“翅膀”的,是动力系统的主发动机;为火箭各子级进行分离的是分离系统的分离发动机;调整火箭飞行姿态的是控制系统的姿控发动机等等。

通常,我们用为发动机提供动力的能量类型对发动机进行分类。尽管能够成为火箭发动机动力的能源很多,但目前技术比较成熟的是化学能火箭发动机和电能火箭发动机。它们各自有什么优势和特点,能够使它们成为火箭能源的不二之选呢?

先来看看化学能火箭发动机,它在火箭中的应用最广泛。化学能火箭发动机的充填物是推进剂,由燃料和氧化剂组成。当燃料和氧化剂进行剧烈燃烧时,推进剂能够通过化学反应产生能量,为火箭供能。根据推进剂的形态,化学能火箭发动机又分为液体发动机、固体发动机和固-液混合发动机三种。

“工作狂”的液体火箭发动机

液体火箭发动机,顾名思义,它的推进剂在常温甚至低温环境下是液态的。液体火箭发动机由推力室和辅助管路系统组成。推力室包括喷注器、燃烧室和喷管,如果使用非自燃推进剂,还需要点火装置,如电火花塞等。

当液体火箭发动机点火时,导管会将储存在推进剂贮箱中的推进剂送入发动机燃烧室进行化学反应,燃烧并产生高温燃气。这些高温燃气流经喷管后会膨胀并加速,以1500到5000m/s的高速喷出,将火箭反推上天。

液体火箭发动机效能高、工作时间长、适应性强,并且通过控制推进剂的流量就能够调节推力大小,还能够实现发动机关机和多次启动,使用上比较灵活。但液体火箭发动机结构复杂,要求火箭必须携带较大的推进剂贮箱,这对火箭的体积和质量都有很大影响,因而火箭能够承载的载荷就要相应减少,造成火箭运载能力的损失。

“一触即发”的固体火箭发动机

固体火箭发动机由燃烧室、喷管和点火装置等组成。固体火箭发动机的喷管结构比较复杂,可以是一个或多个。点火装置通常由电爆管、点火药和壳体结构组成。值得一提的是,大型固体火箭发动机的点火装置本身就是一个小型固体火箭发动机,又叫点火发动机。

固体推进剂是氧化剂、燃料和其他添加剂组成的固体混合物,被做成长条形药柱直接装在燃烧室内。固体火箭发动机点火时,点火装置中的电爆管通电爆炸,引燃点火药,点火药燃烧点燃药柱直至全部燃尽。

固体火箭发动机示意图

由于固体火箭发动机不需要推进剂供应系统和喷注器等,它具有结构简单、工作可靠的优点。固体火箭发动机的推进剂药柱还能长期储存,比液体推进剂更加安全、方便,而且省去了液体火箭发动机要求的推进剂贮箱结构,所以固体火箭体积较小。但固体火箭发动机效能较低、工作时间短,而且药柱一旦点燃就不易熄灭,不能实现发动机关机和多次启动,也难以调节推力大小。

“混血儿”固-液混合火箭发动机

这种发动机集合了固体和液体火箭发动机的优点,在燃烧室中放置固体燃料或氧化剂药柱,另加一个贮箱存放液体氧化剂或燃料,然后通过液体推进剂组分供应系统把贮箱与发动机推力室连接起来。点火时,可以是固、液推进剂相互接触时自燃点火,也可以像固体火箭发动机一样安装点火装置点火。随后,液体推进剂组分被送入燃烧室完成燃烧反应。

尽管固-液混合火箭发动机推力介于固体火箭发动机和液体火箭发动机之间,但它极少被使用。这是因为,尽管固-液混合火箭发动机简单紧凑,能够调节推力,但它燃烧产能的效率低,推进剂的混合比例不易控制,并且调节推力能量损失较大。

固-液混合火箭发动机示意图

再说说电能火箭发动机,它利用电能对媒介物质加速,形成高速喷射流从发动机内喷出对火箭产生推力。通过改变电荷密度、施加电场,发动机推力可以有很大的变化范围,因而电能火箭发动机的推力也可以灵活调节。按对媒介物质的加速方式分,电能火箭发动机又可分为电热火箭发动机、静电火箭发动机和电磁火箭发动机。

电热火箭发动机用电能加热媒介物质使之气化,气体经过喷管迅速膨胀加速喷出,产生推力。静电火箭发动机将媒介物质从贮箱送入电离室产生离子,之后在静电场加速下得到高速离子流产生推力。电磁火箭发动机利用电磁场加速被电离后的等离子体,使之加速喷出产生推力。

那么,电能火箭发动机的电从哪来呢?发动机的电能可以由化学能、核能或太阳能转化生成。电能火箭发动机效能高,但推力极小,只适用于航天器的姿态控制、位置保持和星际航行等。电磁火箭的推力有500000N,而液体火箭,比如我国长征五号运载火箭的推力有10565kN。

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