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液体大火箭和固体大火箭的喷嘴部分有什么不同

 知行合一117 2019-04-02


作者: 瀚海狼山


现在航天发射用的大火箭,基本有两种类型,一种是液体大火箭,一种是固体大火箭。两者的工作特点差距较大。固体大火箭的最大特点就是推力大,燃烧迅速。推重比高,因此起飞时候的加速度比较大,这种特点适合各种导弹。可以减少助推时间,尽快脱离大气层,防止各种反导系统在起飞阶段对导弹弹体和弹头的拦截。

但是固体大火箭也因此有比冲小的弱点。所谓的比冲就是火箭发动机工作时间的长短。一般固体大火箭只能工作200多秒就烧完了。而液态大火箭有很多可以工作到500秒以上。虽然推重比大多数时候不如固体火箭,但是液态大火箭工作过程长,总比冲大,因此发射大吨位的太空载荷,还是以液态火箭为主要动力。像美国过去发射的航天飞机,就是采用2枚大直径固体火箭当助推器,而带着一个装满液体燃料和氧化剂的大罐子当主火箭,共同把航天飞机推上轨道。

液体火箭的特点和固体大火箭也有结构上的本质不同。液体大火箭只有尾部很小的一段是真正的发动机系统。其他大部分火箭本体都是燃料和氧化剂储存罐,不加注燃料和氧化剂的大液体火箭,本身的自重很轻,因为燃料储存箱的外壳往往只有几毫米,说他是一个巨大的空易拉罐是非常贴切的。而固体大火箭的固体燃料是早早的浇筑在火箭本体内部的,他的本体和外壳加起来就是一个大发动机,这点上造成两者的工作过程和喷嘴都有巨大的不同。

这个不同用专业的说法,就是两者的推力室不同。现在大型液体火箭发动机的整个推力室,包括燃烧室和喷管喉部以及紧挨着喉部的前后收敛——扩张段,也就是我们平时所看见和所说的外观明显的大喷嘴。而固体火箭的推力室的部分比液体大火箭大的多,但是喷嘴却不是那么明显,这是为何呢?

液体大火箭的喷嘴外观特别大特别明显,这是因为液体大火箭的喷嘴往往结构复杂,是带内部夹层,而且有液体燃料管道提前经过这里循环加热,在加热的过程中,自然也起到了对喷嘴降温的附带作用。这在专业上叫做再生冷却。液体火箭发动机推力室采用再生冷却有几个好处:第一,液体燃料得到预热,燃烧过程更完全。第二,整个推力室系统得到冷却,可靠工作时间大大加长,工况更高,还可以多次启动,甚至有重复使用的潜力。

第三,推力室内部液膜冷却,推力室可以做轻做薄降低干重,提高载荷系数。而固体大火箭推力室不需要循环冷却也无法循环,因为所有的燃料和氧化剂早就凝固在一起了。固体火箭的推力室——喷嘴系统,一般采用烧蚀+辐射冷却。

固体火箭工作时间比较短,一般也不需要多次启动。说到底就是靠材料的强度硬抗高温高压。一些小型液体火箭发动机的燃烧室也没有复杂的冷却循环系统,但发动机功率小,也容易硬扛。没有冷却循环需要靠自身材料硬扛的固体大火箭的喷嘴部分和少数没有循环系统的小液体火箭的喷嘴,就不需要做得内部结构复杂,带夹层和循环管道的大火箭的喷嘴那么巨大,但是材料的厚度就需要更厚一些。

无论哪种火箭的喷嘴,目前多采用含银的钨合金材料制造,可以耐受3000度高温数百秒,因此成本还是比较高的。固体火箭发动机喷管不冷却还有一个重要原因,固体发动机火焰中含有大量的固体颗粒物,就像高速喷出的沙子,对于喷管的冲蚀是无法消除的,只能用加厚的抗烧蚀材料。

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