說起火箭,大家一定不會感到陌生。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彈,這些復雜的工程都離不開火箭技術的支持。然而,我們或許沒有注意過火箭的力量究竟有多強。
以常見的衛(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,這個速度是地表附近空氣中聲速的20倍以上,遠遠超過了飛機目前能達到的最快速度。
執(zhí)行載人航天任務的火箭推力更是驚人。執(zhí)行我國首次載人航天任務的“長征2號F”運載火箭起飛質(zhì)量可達493噸,能將8.8噸有效載荷運送到近地軌道。
美國土星5號運載火箭
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?要回答這個問題,我們先要明確區(qū)分火箭和飛機。
其實,要區(qū)分火箭和飛機除了看外形,還要看其攜帶的推進劑的成分。
火箭必須同時攜帶燃料+氧化劑,而飛機只需要攜帶燃料,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),一旦飛行高度超過這一范圍,飛機發(fā)動機就會因為缺少足夠的氧化劑而無法工作。
歷史上,美國和蘇聯(lián)都曾使用航天飛機開展載人航天計劃。
航天飛機雖冠有“飛機”之名,但更嚴謹?shù)卣f,航天飛機其實是一種外形酷似飛機的軌道器。在它的主燃料艙中既存儲了燃料,又存儲了氧化劑,航天飛機在離開大氣層后,依然可以推進。
現(xiàn)代巡航導彈為了提高射程,不再像普通導彈一樣同時攜帶燃料和氧化劑,而是僅僅攜帶燃料。今天的多數(shù)導彈都可以看作是火箭,但如果單從推進劑的角度看,巡航導彈更近似于飛機。
蘇聯(lián)“暴風雪號”航天飛機
了解了火箭和飛機的區(qū)別,接下來我們再看一下不同種類的火箭之間都有什么差別。
火箭發(fā)動機按照其使用推進劑的物質(zhì)狀態(tài)不同,可以分為液體火箭發(fā)動機、固體火箭發(fā)動機和混合推進劑火箭發(fā)動機。
其中更常用的是前兩種——我們簡稱為液體火箭和固體火箭——它們從結構、功能到應用都有許多不同。
一種典型的液體火箭結構
液體火箭發(fā)動機從發(fā)明至今100多年來幾乎沒有太大變化。其最有特征的結構便是推進劑倉和燃燒室之間的推進劑注入泵。
液體火箭需要額外消耗一部分推進劑先啟動推進劑泵,等到泵把燃料和氧化劑一同抽進燃燒室之后,燃料才能正常燃燒。
這個泵的功能十分重要,它一方面保證了燃料和氧化劑進入燃燒室的流量足夠,同時又在調(diào)節(jié)兩者的比例。
推進劑注入泵的抽取量非常巨大,以美國土星5號運載火箭為例,其第一級火箭內(nèi)裝有煤油和液氧共2000噸,而一級火箭總工作時間僅有150秒。
也就是說在150秒內(nèi)這些燃料會都被推進劑泵從燃料箱里泵到火箭發(fā)動機噴管中,平均一秒流量13.3噸??梢哉f,推進劑泵才是液體火箭威力巨大的秘密。
推進劑注入泵的復雜結構
除了推力強,液體火箭還有很多其它優(yōu)勢。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,液體火箭可以臨時調(diào)整軌道,甚至緊急熄火。
當然,液體火箭也有很多缺點。除了結構相對復雜,液體火箭最大的問題在于推進劑的安全儲存和使用。
從理論上說,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很低,使用過程中需要額外的設備和工藝保證低溫,提高了制造成本。
如果選擇方便儲存的推進劑,如偏二甲肼+四氧化二氮,又要面對其劇毒且易燃易爆的危險??梢哉f,目前還沒有完美的推進劑可以選擇。
與液體火箭相比,固體火箭的結構就簡單得多。燃料和氧化劑已經(jīng)提前混合好,只需要點火裝置啟動便可以直接燃燒。
固體火箭的主要技術難點在于如何在飛行過程中保證火箭時刻穩(wěn)定。這就需要通過巧妙的設計,使固體推進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間都比液體火箭差不少,但因為結構簡單,固體火箭的造價更低、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,但是由于方便儲存運輸,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彈、火箭彈、小型火箭、起飛的助推器等。
以上就是關于火箭發(fā)動機技術的一些小知識。如今,火箭技術還在日新月異地發(fā)展,新型火箭正朝著低成本、無污染、大推力的方向不斷進步。相信在未來,火箭還將繼續(xù)承載著我們探索深空的夢想。
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