火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作原理.doc

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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?yàn)樗膹?fù)雜性。太空探索是非常復(fù)雜的，因?yàn)槠渲杏刑嗟膯栴}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(xué) 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(shè)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(dòng)機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。 一方面，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(guān)詳細(xì)信息，請(qǐng)參見本文最后一頁上的鏈接）。而另一方面，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)（及其燃料系統(tǒng)）又是如此復(fù)雜，目前只有三個(gè)國家曾將自己的宇航員送入軌道。在本文中，我們將對(duì)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)行探討，以了解它們的工作原理以及一些與之相關(guān)的復(fù)雜問題。 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)基本原理當(dāng)大多數(shù)人想到馬達(dá)或發(fā)動(dòng)機(jī)時(shí)，會(huì)認(rèn)為它們與旋轉(zhuǎn)有關(guān)。例如，汽車?yán)锏耐鶑?fù)式汽油發(fā)動(dòng)機(jī)會(huì)產(chǎn)生轉(zhuǎn)動(dòng)能量以驅(qū)動(dòng)車輪。電動(dòng)馬達(dá)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)動(dòng)能量則用來驅(qū)動(dòng)風(fēng)扇或轉(zhuǎn)動(dòng)磁盤。蒸汽發(fā)動(dòng)機(jī)也用來完成同樣的工作，蒸汽輪機(jī)和大多數(shù)燃?xì)廨啓C(jī)也是如此。 火箭發(fā)動(dòng)機(jī)則與之有著根本的區(qū)別。它是一種反作用力式發(fā)動(dòng)機(jī)。火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是以一條著名的牛頓定律作為基本驅(qū)動(dòng)原理的，該定律認(rèn)為“每個(gè)作用力都有一個(gè)大小相等、方向相反的反作用力”?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)向一個(gè)方向拋射物質(zhì)，結(jié)果會(huì)獲得另一個(gè)方向的反作用力。 開始時(shí)您可能很難理解“拋射物質(zhì)，獲得反作用力”這個(gè)概念，因?yàn)檫@好像 和真實(shí)情況不大一樣?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)似乎只會(huì)發(fā)出火焰和噪音，制造壓力，而與“拋射物質(zhì)”沒什么關(guān)系。我們來看幾個(gè)例子，以便更好地了解真實(shí)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(huì)產(chǎn)生巨大的“撞擊力”。也就是說，當(dāng)您開槍時(shí)，獵槍會(huì)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(shí)的速度沿某個(gè)方向發(fā)射出去，同時(shí)您的肩膀會(huì)受到反作用力的撞擊。如果您開槍時(shí)穿著輪滑鞋或站在滑雪板上，槍會(huì)起到類似于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的作用，反作用力會(huì)使您向相反的方向滑動(dòng)。 如果您見過粗大的消防水管噴水的場(chǎng)景，可能會(huì)注意到消防員要花很大的力氣才能抓住它（有時(shí)您會(huì)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(dòng)機(jī)類似。水管向一個(gè)方向噴水，消防員們則運(yùn)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(huì)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(dòng)他們以極快的速度向后移動(dòng)。 如果您吹起一個(gè)氣球，然后放開它，那么它會(huì)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(dòng)機(jī)。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(shí)是有質(zhì)量的（請(qǐng)查看有關(guān)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(huì)向相反的方向運(yùn)動(dòng)。 太空棒球賽的場(chǎng)景想像下面的情景：您穿著一套太空服，飄浮在航天飛機(jī)外的太空中，您的手中恰好有一個(gè)棒球。 如果您把棒球扔出去，反作用力會(huì)使您的身體朝與棒球相反的方向移動(dòng)。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(shè)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(shí)）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(shí)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(yùn)動(dòng)的速度是棒球的百分之一，即0.098米/秒（0.338公里/小時(shí)）。 如果想讓棒球產(chǎn)生更大的推力，您有兩個(gè)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(gè)質(zhì)量更大的棒球，或接連不斷地扔出多個(gè)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(jìn)行的一次發(fā)射測(cè)試中，由一臺(tái)遠(yuǎn)程照相機(jī)拍攝的航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)的特寫照片?；鸺l(fā)動(dòng)機(jī)通常拋射的是高壓氣體形式的物質(zhì)。發(fā)動(dòng)機(jī)向某個(gè)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(dòng)機(jī)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(huì)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(huì)加快物質(zhì)的速度。 下面我們來了解有關(guān)推力的更多知識(shí)。推力和固體燃料火箭火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dāng)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(shí)）。如果您帶著一袋棒球（假設(shè)每個(gè)棒球的質(zhì)量為1磅）漂浮在太空中，并且每秒扔出一個(gè)棒球，使它與您的相對(duì)速度為33.8公里/小時(shí)，那么每個(gè)棒球?qū)a(chǎn)生相當(dāng)于1磅的推力。如果您以67.6公里/小時(shí)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(shí)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(huì)產(chǎn)生100磅的推力，以此類推。 關(guān)于火箭，有一個(gè)有趣的問題：由于發(fā)動(dòng)機(jī)拋射的物體實(shí)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(shè)您希望每秒擲出一個(gè)相對(duì)速度為3380公里/小時(shí)的棒球來生成100磅的推力，并持續(xù)1小時(shí)。這意味著您開始時(shí)必須攜帶3,600個(gè)質(zhì)量為1磅的棒球（因?yàn)?小時(shí)有3,600秒），或總質(zhì)量為3,600磅的多個(gè)棒球。由于您穿著太空服時(shí)的總質(zhì)量只有100磅，于是您會(huì)發(fā)現(xiàn)“燃料”的質(zhì)量遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于有效負(fù)荷（也就是您）。實(shí)際上，燃料的質(zhì)量是有效負(fù)荷的36倍。而這是個(gè)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(gè)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(jī) 您可以清楚地看到這個(gè)質(zhì)量方程式在航天飛機(jī)上的應(yīng)用。如果您曾經(jīng)目睹過航天飛機(jī)的發(fā)射，您就知道其中包含三個(gè)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(jī)、外貯箱、固體火箭推進(jìn)器外殼和所有燃料在內(nèi)的整個(gè)飛行器在發(fā)射時(shí)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(shí)話，軌道飛行器還可以承載65,000磅的有效負(fù)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(jī)操作員手冊(cè) 航天飛機(jī)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(shí)（化學(xué)火箭通常的噴射速度在8,000至16,000公里/小時(shí)之間）。每次發(fā)射時(shí)，SRB大約燃燒兩分鐘，產(chǎn)生約330萬磅的推力（整個(gè)燃燒過程的平均推力為265萬磅）。三臺(tái)主發(fā)動(dòng)機(jī)（使用外貯箱中的燃料）大約燃燒八分鐘，燃燒期間每臺(tái)發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)是人類制造的第一種發(fā)動(dòng)機(jī)。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(yīng)用。美國國歌（創(chuàng)作于19世紀(jì)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(dāng)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(huì)爆炸的物質(zhì)。眾所周知，火藥會(huì)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(dòng)機(jī)中，您不希望發(fā)生爆炸，而是想讓能量在一段時(shí)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(dāng)?shù)难b填方式，它就不會(huì)爆炸。下面是一幅典型的剖面圖： 一枚固體燃料火箭在點(diǎn)火之前和之后的情景 您在左邊看到的是點(diǎn)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(dāng)您點(diǎn)燃燃料時(shí)，它將沿著管道內(nèi)壁燃燒。在這一過程中，燃料會(huì)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(dòng)機(jī)模型或瓶式微型火箭中，燃燒的持續(xù)時(shí)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(jī)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(gòu)當(dāng)您閱讀關(guān)于高級(jí)固體燃料火箭（如航天飛機(jī)的固體火箭推進(jìn)器）的文章時(shí)，常會(huì)讀到類似下面的內(nèi)容： 各個(gè)SRB發(fā)動(dòng)機(jī)中的混合推進(jìn)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(jìn)劑在前發(fā)動(dòng)機(jī)段有一個(gè)十一角星形的孔，而在每個(gè)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(gòu)能在點(diǎn)火時(shí)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(dòng)態(tài)壓力的時(shí)間段內(nèi)使飛行器處于超負(fù)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(gòu)?！笆唤切切蔚目住比缦聢D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(jìn)而提高推力。當(dāng)燃料燃燒時(shí)，孔的形狀會(huì)均勻向外擴(kuò)展，形成一個(gè)圓形。對(duì)于SRB來說，這種結(jié)構(gòu)會(huì)為發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)有三個(gè)重要的優(yōu)點(diǎn)： 簡單 成本低 安全 它們也有兩個(gè)缺點(diǎn)： 無法控制推力。 一旦點(diǎn)火，發(fā)動(dòng)機(jī)就無法停止或重新啟動(dòng)。 這些缺點(diǎn)意味著固體燃料火箭只能用于短期任務(wù)（如導(dǎo)彈）或推進(jìn)器系統(tǒng)。如果您需要控制發(fā)動(dòng)機(jī)，則必須使用液體推進(jìn)劑系統(tǒng)。下面我們來了解這方面的知識(shí)及其他可能的燃料。液體推進(jìn)劑及其他類型的火箭1926年，羅伯特高德(Robert Goddard)進(jìn)行了第一臺(tái)液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的測(cè)試。他的發(fā)動(dòng)機(jī)使用了汽油和液氧。他還研究并解決了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)領(lǐng)域的許多基本問題，包括燃料抽運(yùn)機(jī)制、冷卻策略和導(dǎo)向裝置的布局。這些問題也是導(dǎo)致液體推進(jìn)火箭如此復(fù)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(dòng)機(jī)的基本原理很簡單。在大多數(shù)液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)中，燃料和氧化劑（如汽油和液氧）會(huì)被抽取到燃燒室中。在那里，它們會(huì)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(gè)噴口以便進(jìn)一步提高它們的速度（噴出時(shí)的速度通常為8,000-16,000公里/小時(shí)），之后就會(huì)離開發(fā)動(dòng)機(jī)。下面這幅高度簡化的圖解顯示了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的基本組成部分。 這幅圖沒有將普通發(fā)動(dòng)機(jī)的實(shí)際復(fù)雜性表現(xiàn)出來（請(qǐng)單擊頁面底部的鏈接，查看真實(shí)發(fā)動(dòng)機(jī)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(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)，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(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)實(shí)際上采用了兩級(jí)抽運(yùn)流程，第二級(jí)泵是通過燃料燃燒來驅(qū)動(dòng)的。所有這些抽運(yùn)和冷卻流程使普通的液體推進(jìn)劑發(fā)動(dòng)機(jī)看起來更像是一項(xiàng)雜亂無章的管道工程。液體推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(jī)的主發(fā)動(dòng)機(jī)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(jì)劃的土星五號(hào)大型推進(jìn)器的第一級(jí)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(hào)探測(cè)器的發(fā)動(dòng)機(jī)中 其他可能的組合我們經(jīng)常見到化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)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(diǎn)。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(dòng)機(jī)。這種方法的唯一問題是，棒球“排出物”（這里指讓高速棒球運(yùn)動(dòng)的物質(zhì)）會(huì)在太空中繼續(xù)運(yùn)動(dòng)。由于這個(gè)小小的問題，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)師們傾向于讓氣體作為排出物。許多火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的體積很小。例如，人造衛(wèi)星上的姿態(tài)推進(jìn)器無需產(chǎn)生太大的推力。人造衛(wèi)星常用的一種發(fā)動(dòng)機(jī)設(shè)計(jì)是高壓氮?dú)馔七M(jìn)器，它完全不使用“