航天科普:火箭是沒(méi)有翅膀的飛機(jī)嗎?它們?yōu)楹文芤伙w沖天?
發(fā)布時(shí)間:2020-06-28
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說(shuō)起火箭,大家一定不會(huì)感到陌生。不論是衛(wèi)星發(fā)射,還是載人航天,抑或是威力巨大的巡航導(dǎo)彈,這些復(fù)雜的工程都離不開(kāi)火箭技術(shù)的支持。然而,我們或許沒(méi)有注意過(guò)火箭的力量究竟有多強(qiáng)。

以常見(jiàn)的衛(wèi)星發(fā)射為例,一枚火箭要將衛(wèi)星送入環(huán)繞地球的軌道,至少需要將衛(wèi)星加速到第一宇宙速度——7.9km/s,這個(gè)速度是地表附近空氣中聲速的20倍以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)了飛機(jī)目前能達(dá)到的最快速度。

執(zhí)行載人航天任務(wù)的火箭推力更是驚人。執(zhí)行我國(guó)首次載人航天任務(wù)的“長(zhǎng)征2號(hào)F”運(yùn)載火箭起飛質(zhì)量可達(dá)493噸,能將8.8噸有效載荷運(yùn)送到近地軌道。

美國(guó)土星5號(hào)運(yùn)載火箭

同樣是靠燃料燃燒獲得推力,為什么火箭就能擁有如此驚人的力量呢?要回答這個(gè)問(wèn)題,我們先要明確區(qū)分火箭和飛機(jī)。

其實(shí),要區(qū)分火箭和飛機(jī)除了看外形,還要看其攜帶的推進(jìn)劑的成分。

火箭必須同時(shí)攜帶燃料+氧化劑,而飛機(jī)只需要攜帶燃料,作為氧化劑的氧氣可以直接從空氣中獲得。

由于自身攜帶了氧化劑,火箭的飛行并不依賴外界的氧氣,地球大氣反而是火箭飛行的阻礙,脫離大氣層之后火箭的飛行效率更高。

而飛機(jī)則被局限在了地表幾十千米的范圍內(nèi),一旦飛行高度超過(guò)這一范圍,飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)就會(huì)因?yàn)槿鄙僮銐虻难趸瘎┒鵁o(wú)法工作。

歷史上,美國(guó)和蘇聯(lián)都曾使用航天飛機(jī)開(kāi)展載人航天計(jì)劃。

航天飛機(jī)雖冠有“飛機(jī)”之名,但更嚴(yán)謹(jǐn)?shù)卣f(shuō),航天飛機(jī)其實(shí)是一種外形酷似飛機(jī)的軌道器。在它的主燃料艙中既存儲(chǔ)了燃料,又存儲(chǔ)了氧化劑,航天飛機(jī)在離開(kāi)大氣層后,依然可以推進(jìn)。

現(xiàn)代巡航導(dǎo)彈為了提高射程,不再像普通導(dǎo)彈一樣同時(shí)攜帶燃料和氧化劑,而是僅僅攜帶燃料。今天的多數(shù)導(dǎo)彈都可以看作是火箭,但如果單從推進(jìn)劑的角度看,巡航導(dǎo)彈更近似于飛機(jī)。

蘇聯(lián)“暴風(fēng)雪號(hào)”航天飛機(jī)

了解了火箭和飛機(jī)的區(qū)別,接下來(lái)我們?cè)倏匆幌虏煌N類(lèi)的火箭之間都有什么差別。

火箭發(fā)動(dòng)機(jī)按照其使用推進(jìn)劑的物質(zhì)狀態(tài)不同,可以分為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)、固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)和混合推進(jìn)劑火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

其中更常用的是前兩種——我們簡(jiǎn)稱為液體火箭和固體火箭——它們從結(jié)構(gòu)、功能到應(yīng)用都有許多不同。

一種典型的液體火箭結(jié)構(gòu)

液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)從發(fā)明至今100多年來(lái)幾乎沒(méi)有太大變化。其最有特征的結(jié)構(gòu)便是推進(jìn)劑倉(cāng)和燃燒室之間的推進(jìn)劑注入泵。

液體火箭需要額外消耗一部分推進(jìn)劑先啟動(dòng)推進(jìn)劑泵,等到泵把燃料和氧化劑一同抽進(jìn)燃燒室之后,燃料才能正常燃燒。

這個(gè)泵的功能十分重要,它一方面保證了燃料和氧化劑進(jìn)入燃燒室的流量足夠,同時(shí)又在調(diào)節(jié)兩者的比例。

推進(jìn)劑注入泵的抽取量非常巨大,以美國(guó)土星5號(hào)運(yùn)載火箭為例,其第一級(jí)火箭內(nèi)裝有煤油和液氧共2000噸,而一級(jí)火箭總工作時(shí)間僅有150秒。

也就是說(shuō)在150秒內(nèi)這些燃料會(huì)都被推進(jìn)劑泵從燃料箱里泵到火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管中,平均一秒流量13.3噸。可以說(shuō),推進(jìn)劑泵才是液體火箭威力巨大的秘密。

推進(jìn)劑注入泵的復(fù)雜結(jié)構(gòu)

除了推力強(qiáng),液體火箭還有很多其它優(yōu)勢(shì)。由于有泵的控制,液體火箭的燃料燃燒速度更均勻,更可控。

而且液體燃料容易控制總量,相比于一次加工成型的固體燃料火箭,液體火箭可以臨時(shí)調(diào)整軌道,甚至緊急熄火。

當(dāng)然,液體火箭也有很多缺點(diǎn)。除了結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜,液體火箭最大的問(wèn)題在于推進(jìn)劑的安全儲(chǔ)存和使用。

從理論上說(shuō),液氫+液氧的組合是最安全環(huán)保的,然而液氫和液氧的沸點(diǎn)很低,使用過(guò)程中需要額外的設(shè)備和工藝保證低溫,提高了制造成本。

如果選擇方便儲(chǔ)存的推進(jìn)劑,如偏二甲肼+四氧化二氮,又要面對(duì)其劇毒且易燃易爆的危險(xiǎn)??梢哉f(shuō),目前還沒(méi)有完美的推進(jìn)劑可以選擇。

與液體火箭相比,固體火箭的結(jié)構(gòu)就簡(jiǎn)單得多。燃料和氧化劑已經(jīng)提前混合好,只需要點(diǎn)火裝置啟動(dòng)便可以直接燃燒。

固體火箭的主要技術(shù)難點(diǎn)在于如何在飛行過(guò)程中保證火箭時(shí)刻穩(wěn)定。這就需要通過(guò)巧妙的設(shè)計(jì),使固體推進(jìn)劑從中軸向外周逐層燃燒(而不是從一端向另一端燃燒)。

固體火箭的推力和工作時(shí)間都比液體火箭差不少,但因?yàn)榻Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,固體火箭的造價(jià)更低、體型更小,適合批量生產(chǎn)。

一旦建造完成,固體火箭的參數(shù)就已經(jīng)確定不能調(diào)整,但是由于方便儲(chǔ)存運(yùn)輸,其轉(zhuǎn)移和發(fā)射反而比液體火箭靈活得多。

現(xiàn)在,固體火箭主要用于各種導(dǎo)彈、火箭彈、小型火箭、起飛的助推器等。

以上就是關(guān)于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)技術(shù)的一些小知識(shí)。如今,火箭技術(shù)還在日新月異地發(fā)展,新型火箭正朝著低成本、無(wú)污染、大推力的方向不斷進(jìn)步。相信在未來(lái),火箭還將繼續(xù)承載著我們探索深空的夢(mèng)想。


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