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火箭发动机工作原理

2011-03-20  金色的田野
迄今为止,人类从事的最神奇的事业就是太空探索了。它的神奇之处很大程度上是因为它的复杂性。太空探索是非常复杂的,因为其中有太多的问题需要解决,有太多的障碍需要克服。所面临的问题包括:
  • 太空的真空环境
  • 热量处理问题
  • 重返大气层的难题
  • 轨道力学
  • 微小陨石和太空碎片
  • 宇宙辐射和太阳辐射
  • 在无重力环境下为卫生设施提供后勤保障

但在所有这些问题中,最重要的还是如何产生足够的能量使太空船飞离地面。于是火箭发动机应运而生。

一方面,火箭发动机是如此简单,您完全可以自行制造和发射火箭模型,所需的成本极低(有关详细信息,请参见本文最后一页上的链接)。而另一方面,火箭发动机(及其燃料系统)又是如此复杂,目前只有三个国家曾将自己的宇航员送入轨道。在本文中,我们将对火箭发动机进行探讨,以了解它们的工作原理以及一些与之相关的复杂问题。
火箭发动机基本原理

当大多数人想到马达或发动机时,会认为它们与旋转有关。例如,汽车里的往复式汽油发动机会产生转动能量以驱动车轮。电动马达产生的转动能量则用来驱动风扇或转动磁盘。蒸汽发动机也用来完成同样的工作,蒸汽轮机和大多数燃气轮机也是如此。

火箭发动机则与之有着根本的区别。它是一种反作用力式发动机。火箭发动机是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的,该定律认为“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。火箭发动机向一个方向抛射物质,结果会获得另一个方向的反作用力。

火箭发动机工作原理

开始时您可能很难理解“抛射物质,获得反作用力”这个概念,因为这好像­和真实情况不大一样。火箭发动机似乎只会发出火焰和噪音,制造压力,而与“抛射物质”没什么关系。我们来看几个例子,以便更好地了解真实情况:

  • 如果您曾经使用过猎枪,特别是那种12铅径的大猎枪,那么您就知道它会产生巨大的“撞击力”。也就是说,当您开枪时,猎枪会狠狠地向后“撞击”您的肩膀。这种撞击力就是反作用力。猎枪将31.1克的金属以大约1120公里/小时的速度沿某个方向发射出去,同时您的肩膀会受到反作用力的撞击。如果您开枪时穿着轮滑鞋或站在滑雪板上,枪会起到类似于火箭发动机的作用,反作用力会使您向相反的方向滑动。
  • 如果您见过粗大的消防水管喷水的场景,可能会注意到消防员要花很大的力气才能抓住它(有时您会看到有两名或三名消防员手持同一根消防水管)。水管发生的情况与火箭发动机类似。水管向一个方向喷水,消防员们则运用自身的力量和重量来克服反作用力。如果他们放开水管,那么水管会劲头十足地四处乱撞。如果消防员全都站在滑雪板上,水管将推动他们以极快的速度向后移动。
  • 如果您吹起一个气球,然后放开它,那么它会满屋子乱飞,直到里面的空气漏光为止,这就是您制造的火箭发动机。在这种情况下,被抛射出去的是气球中的空气分子。与许多人的想法不同,空气分子其实是有质量的(请查看有关的页面,以便更好地了解空气质量的问题)。如果您让空气从气球的喷口中喷出来,气球的其余部分则会向相反的方向运动。

太空棒球赛的场景

想像下面的情景:您穿着一套太空服,飘浮在航天飞机外的太空中,您的手中恰好有一个棒球。

如果您把棒球扔出去,反作用力会使您的身体朝与棒球相反的方向移动。身体离开的速度,是由您扔出的棒球的质量和您使它获得的加速度决定的。质量与加速度相乘即为作用力的大小(f=m*a)。无论您向棒球施加的力有多大,它和作用在您身体上的反作用力总是大小相等(m*a=m*a)。所以,我们不妨假设棒球的质量为1磅,而您的身体与太空服的总质量为100磅。您以9.75米/秒(33.8公里/小时)的速度将棒球扔出去。也就是说,您用手臂加速质量为1磅的棒球,使它获得33.8公里/小时的速度。您的身体将受到反作用力,但身体的质量是棒球的100倍。因此,它向相反方向运动的速度是棒球的百分之一,即0.098米/秒(0.338公里/小时)。

如果想让棒球产生更大的推力,您有两个选择:增大棒球的质量或提高它的加速度。您可以扔出一个质量更大的棒球,或接连不断地扔出多个棒球(增大质量),也可以用更快的速度将棒球扔出去(提高它的加速度)。不过,您能采取的方法也仅此而已。

­
NASA 供图
这是在美国密西西比州的汉考克郡进行的一次发射测试中,
由一台远程照相机拍摄的航天飞机主发动机的特写照片。

火箭发动机通常抛射的是高压气体形式的物质。发动机向某个方向喷出气体物质,以获得相反方向的反作用力。这些物质来自火箭发动机燃烧的燃料。燃烧过程使燃料物质得以加速,使之以极高的速度从火箭喷口喷出。燃料在燃烧过程中由固态或液态转化为气体,但并不会使其质量发生变化。如果您燃烧一斤火箭燃料,那么就有一斤排出物以高温高速的气体形式从喷口喷出。形态发生了改变,但质量则保持不变。而燃烧过程会加快物质的速度。
火箭发动机的“力量”称为推力。在美国,推力的单位是“推力磅数”,而在公制中则以“牛顿”为单位(4.45牛顿的推力与1磅推力相近)。1磅推力相当于使地球上质量为1磅的物体克服重力作用以保持静止所需的推力。在地球上,重力加速度为9.8米/秒2。如果您带着一袋棒球(假设每个棒球的质量为1磅)漂浮在太空中,并且每秒扔出一个棒球,使它与您的相对速度为33.8公里/小时,那么每个棒球将产生相当于1磅的推力。如果您以67.6公里/小时的速度掷出棒球,那么您产生的推力为2磅。如果您以3380公里/小时的速度掷出它们(可能是用某种“棒球炮”来发射它们的),那么您将会产生100磅的推力,以此类推。

关于火箭,有一个有趣的问题:由于发动机抛射的物体实际上是有质量的,因此火箭必须携带这些质量。因此,我们假设您希望每秒掷出一个相对速度为3380公里/小时的棒球来生成100磅的推力,并持续1小时。这意味着您开始时必须携带3,600个质量为1磅的棒球(因为1小时有3,600秒),或总质量为3,600磅的多个棒球。由于您穿着太空服时的总质量只有100磅,于是您会发现“燃料”的质量远远大于有效负荷(也就是您)。实际上,燃料的质量是有效负荷的36倍。而这是个常见的现象。这就是为什么目前必须用一枚巨大的火箭来将一个质量很小的人发射到太空——火箭必须携带大量燃料。

航天飞机

火箭发动机工作原理
您可以清楚地看到这个质量方程式在航天飞机上的应用。如果您曾经目睹过航天飞机的发射,您就知道其中包含三个部分:

  • 轨道飞行器
  • 大型外贮箱
  • 两部固体火箭助推器(SRB)
轨道飞行器的空载质量为165,000磅(1磅 = 0.45公斤)。外贮箱的空载质量为78,100磅。两部固体火箭助推器,每一部的空载质量均为185,000磅。但接下来您必须向其中装入燃料。每部固体火箭助推器将容纳100万磅燃料。外贮箱装有143,000加仑(1加仑 = 3.79升)液氧(1,359,000磅)和 383,000加仑液氢(226,000磅)。包括航天飞机、外贮箱、固体火箭推进器外壳和所有燃料在内的整个飞行器在发射时的总质量为440万磅。用440万磅将165,000磅送入轨道,这简直是天壤之别。说实话,轨道飞行器还可以承载65,000磅的有效负荷(最大体积为4.5 x 18米),但质量的差别仍然很大。燃料的质量大约是轨道飞行器的20倍。

航天飞机的所有燃料都是从它的后部喷出的,喷射速度约为9600公里/小时(化学火箭通常的喷射速度在8,000至16,000公里/小时之间)。每次发射时,SRB大约燃烧两分钟,产生约330万磅的推力(整个燃烧过程的平均推力为265万磅)。三台主发动机(使用外贮箱中的燃料)大约燃烧八分钟,燃烧期间每台发动机产生375,000磅的推力。

固体燃料火箭:混合燃料

固体燃料火箭发动机是人类制造的第一种发动机。它在几百年前由中国人发明,从那以后一直得到广泛的应用。美国国歌(创作于19世纪初)中有“火箭发出红焰”(the rocket's red glare)这句歌词,它说的是用来发射炸弹或燃烧弹的小型军用固体燃料火箭。由此可以看出固体燃料火箭已经有了相当长的使用历史。

简单固体燃料火箭背后的原理十分浅显。您要做的就是制造出一种既能迅速燃烧又不会爆炸的物质。众所周知,火药会发生爆炸。火药由75%的硝石、15%的碳和10%的硫磺组成。在火箭发动机中,您不希望发生爆炸,而是想让能量在一段时间内均匀地释放出来。因此您可以将混合比例改成72%的硝石、24%的碳和4%的硫磺。这种情况下,您得到的不是火药,而是简单的火箭燃料。这种混合物的燃烧速度极快,但如果采用了适当的装填方式,它就不会爆炸。下面是一幅典型的剖面图:

一枚固体燃料火箭在点火之前和之后的情景
一枚固体燃料火箭在点火之前和之后的情景

您在左边看到的是点火之前的火箭。固体燃料用绿色表示。它是圆柱形的,中间被钻出一条管道。当您点燃燃料时,它将沿着管道内壁燃烧。在这一过程中,燃料会朝着外壳的方向向外燃烧,直到所有燃料燃尽为止。在小型火箭发动机模型或瓶式微型火箭中,燃烧的持续时间可能只有一秒钟或更短。在一部装有100万磅燃料的航天飞机SRB中,燃烧过程将持续约两分钟。

固体燃料火箭:管道结构

当您阅读关于高级固体燃料火箭(如航天飞机的固体火箭推进器)的文章时,常会读到类似下面的内容:

    各个SRB发动机中的混合推进剂是由高氯酸铵(氧化剂,占总质量的69.6%)、铝(燃料,16%)、氧化铁(催化剂,0.4%)、聚合物(将混合物结合在一起的粘结剂,12.04%)和环氧固化剂(1.96%)混合而成的。推进剂在前发动机段有一个十一角星形的孔,而在每个尾段和后盖中,孔的形状则像截去两头的双圆锥。这种结构能在点火时提供巨大的推力,并在升空50秒后降低约三分之一的推力,以免在出现最大动态压力的时间段内使飞行器处于超负载状态。
这段文字不仅讨论了混合燃料,而且还介绍了燃料中央所钻的管道的结构。“十一角星形的孔”如下图所示:

十一角星形的孔

它的原理是增大管道的表面积,从而增大燃烧区域并进而提高推力。当燃料燃烧时,孔的形状会均匀向外扩展,形成一个圆形。对于SRB来说,这种结构会为发动机提供较高的初始推力,而在飞行中段的推力则较低。

固体燃料火箭发动机有三个重要的优点:

  • 简单
  • 成本低
  • 安全
它们也有两个缺点:
  • 无法控制推力。
  • 一旦点火,发动机就无法停止或重新启动。
这些缺点意味着固体燃料火箭只能用于短期任务(如导弹)或推进器系统。如果您需要控制发动机,则必须使用液体推进剂系统。下面我们来了解这方面的知识及其他可能的燃料。
1926年,罗伯特·高德(Robert Goddard)进行了第一台液体推进剂火箭发动机的测试。他的发动机使用了汽油和液氧。他还研究并解决了火箭发动机设计领域的许多基本问题,包括燃料抽运机制、冷却策略和导向装置的布局。这些问题也是导致液体推进火箭如此复杂的原因。

罗伯特·高德博士和他的液氧-汽油火箭,该火箭采用了发射架,于1926年3月16日在美国马萨诸塞州的奥本市发射。
美国航空航天局 (NASA) 供图
罗伯特·高德博士和他的液氧-汽油火箭,该火箭采用了发射架,于1926年3月16日在美国马萨诸塞州的奥本市发射。它只飞行了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。

火箭发动机的基本原理很简单。在大多数液体推进剂火箭发动机中,燃料和氧化剂(如汽油和液氧)会被抽取到燃烧室中。在那里,它们会燃烧并产生一股速度极快的高压热蒸汽。这些蒸汽流过一个喷口以便进一步提高它们的速度(喷出时的速度通常为8,000-16,000公里/小时)),之后就会离开发动机。下面这幅高度简化的图解显示了火箭发动机的基本组成部分。

火箭发动机的基本原理

这幅图没有将普通发动机的实际复杂性表现出来(请单击页面底部的链接,查看真实发动机的图片和说明)。例如,氧化剂或燃料往往是低温的液化气体,如液氢或液氧。燃烧室和喷口的冷却是液体推进剂火箭发动机的一大难题,为此,首先要让低温液体围绕温度极高的零件循环流动,给它们降温。泵必须产生极高的压力才能克服燃烧室中因燃料燃烧产生的压力。航天飞机的主发动机实际上采用了两级抽运流程,第二级泵是通过燃料燃烧来驱动的。所有这些抽运和冷却流程使普通的液体推进剂发动机看起来更像是一项杂乱无章的管道工程。

液体推进剂火箭发动机可以使用各种类型的燃料组合。例如:

  • 液氢和液氧——用在航天飞机的主发动机
  • 汽油和液氧——用在高德制造的早期火箭中
  • 煤油和液氧——用在阿波罗计划的土星五号大型推进器的第一级中
  • 酒精和液氧——用在德国的V2火箭中
  • 四氧化氮/甲基肼——用在卡西尼号探测器的发动机中

其他可能的组合

我们经常见到化学火箭发动机靠燃烧燃料来产生推力。不过,还有许多其他方法可以产生推力。任何能够抛射物体的系统都能做到这一点。如果您能找到一种将棒球加速到极高速度的方法,那么您就有了一种可行的火箭发动机。这种方法的唯一问题是,棒球“排出物”(这里指让高速棒球运动的物质)会在太空中继续运动。由于这个小小的问题,火箭发动机设计师们倾向于让气体作为排出物。

许多火箭发动机的体积很小。例如,人造卫星上的姿态推进器无需产生太大的推力。人造卫星常用的一种发动机设计是高压氮气推进器,它完全不使用“燃料”,而只是通过喷口将罐中的氮气喷出。像这样的推进器不但能使太空实验室停留在轨道上,而且可以用在航天飞机和载人机动系统中。

人们试图在新的发动机设计中找到将离子或原子微粒加速至极高速度的方法,以便更有效地产生推力。NASA的“深空1号”将是第一艘用离子发动机作为推进装置的太空船。请访问此页面,了解关于等离子和离子发动机的其他讨论。

氙离子发动机
NASA供图
本图是一幅氙离子发动机的照片,是在NASA喷气推进实验室对该发动机进行的一次测试中通过真空室的观察孔拍摄的,在图中,发动机发射的带电原子发出微弱的蓝光。离子推进发动机是第一种用作太空船的主要推进手段的非化学推进装置。

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