固体火箭和液体火箭有什么区别?最全面的科普文来了

2020-11-11 14:40 来源:澎湃新闻·澎湃号·媒体

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目前主流的火箭(导弹)发动机有两种形式:液体火箭发动机和固体火箭发动机。这也是很多人所津津乐道的内容,但他们的具体区别是什么,各有哪些优缺点则是很多人所不能一一道来的。
在这里,机械知网给大家做一个小科普让大家了解下这两种类型火箭发动机的区别。
首先来定一个调子,两种发动机没有优劣之分,本文不引战。
先说下液体火箭发动机,很多人认为二战期间的V-2导弹是最早的液体火箭发动机,并且德国的技术随着战败被输出到苏联、美国、英国等国家,促进了这些国家的火箭技术发展。这话有点偏颇,最早提出液体火箭发动机构想的国家是俄国,注意不是苏联而是沙皇俄国。
在1903年俄国的科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基就提出了液体火箭发动机的构想,并给液体火箭发动机一个定性的概念——“液体推进剂比固体推进剂能提供更多能量;液氧/液氢是用于航天飞行的最佳推进剂”,这是从大方向原则上没有错的一个概念。并且在沙皇俄国时期齐奥尔科夫斯基也绘制出了液体火箭的原理结构草图(和目前主流液体火箭并无差别),更惊人的是——他推导出了著名的“火箭方程”!
按照这个概念建立起来的液体火箭在动荡的沙皇俄国并没有第一个出现成品,而是在1926年由美国火箭学家罗伯特·戈达德成功的制作出了人类第一枚液体燃料火箭(汽油和液氧)。
当然了,当时这枚火箭只飞了12米半高以及不到57米远的距离。从现代的眼光来看这枚液体火箭还没有一枚60mm迫击炮炮弹飞的远。
历史说完了,我们说说结构:
这是一枚V-2导弹的结构图,我们可以看到这个导弹中三个特别显著的部分中间部位的燃料仓(火箭的油箱)、头部的载荷以及尾部的火箭喷管。如果再细心一点点的话会发现喷管和燃料仓之间有一套复杂的管路这个部分是火箭的燃料泵。
从这个构成上来讲,液体火箭的结构到现在基本上也是100年没有变动了。它有一个先天的优势——燃料泵。
现在的液体火箭发动机基本上会将燃料泵和喷管做在一起。
▲RD-170火箭发动机总成
从燃料泵的复杂程度来看现代火箭中最复杂的东西就在这里了。燃料泵的功能就是从火箭发动机的燃料箱内将燃料和氧化剂高速的抽取到火箭喷管的燃烧室里面,形成高温高压的火箭喷射气流。
这么复杂的一个原因在于,如果依靠树立起来的火箭燃料的重力流到火箭喷管中是供应不了火箭的燃烧的,需要依靠一个燃料泵将燃料和氧化剂从燃料箱中抽取到火箭发动机中。
一般的情况下是在火箭喷管的旁路设置一个引流管道,让火箭燃气的一部分进入管道驱动一套涡轮系统旋转,这个旋转的涡轮再带动机械结构的燃油泵高速的抽取燃料到火箭发动机中。
这个泵的抽取量有多高?美国发射的土星-5号火箭第一级火箭发动机S-iC内装有2000吨煤油和液氧,这个火箭发动机工作的时间是150秒。在150秒内这些燃料都会被燃料泵从燃料箱里泵到火箭发动机喷管中。平均一秒内到燃料流量为13.3吨。可以输出33000KN的推力,几乎等于91架使用WS-15发动机的歼-20开加力的推力总和。
说到这里大家可以尽情的感叹液体火箭发动机的强大了,那么液体火箭发动机真正的优势除了推力强大之外还有什么呢?
主要有三点:
1
由于液体火箭发动机的燃料是从燃料罐中抽取出来的,因此液体火箭发动机的燃烧速度更为均匀,可以最大限度的提高火箭发动机的燃烧时间。——火箭在推力不太变化的情况下,越晚关机其关机点速度越快。
2
液体火箭发动机可以在一定范围内增加或减少燃料,以获得特定的弹道特性。在发射的灵活度上要大大的强于普通的固体燃料火箭。
3
液体火箭发动机,燃料可控,遇到紧急情况可以刹车(当然了,这是我们的独有秘籍),我们在发射火箭的时候如果已经点火但火箭还没有离开发射架的时候出现状况是可以紧急停车的。
当然了,一个事物有优点就会有缺点,液体火箭也有相应的缺点,主要是:
液体燃料有剧毒,如果是液氢和液氧的火箭燃料就不会有太大的问题。但是由于液氢、液氧存储和加注都相当的复杂,因此航天工业就退而求其次采用了另外的燃料,这里就包括了剧毒的偏二甲肼或者是具有强腐蚀性的发烟硝酸等极端材料。
以偏二甲肼为例,这是一种剧毒且性质活跃的五色透明液体,剧毒且不说,其活跃程度到什么地步呢?看小动图:
试管里面是“冰镇”的火箭氧化剂四氧化二氮气,这是一种沸点只有23.3摄氏度的棕红色液体(具有强腐蚀性),在滴入偏二甲肼后立刻燃烧释放大量气体并产生大量热量。
我们还可以注意的一点是偏二甲肼和四氧化二氮接触就会燃烧期间并没有点火的过程。这种燃料不仅仅可以和四氧化二氮发生剧烈反应,实际上即便是空气中的氧气在一定温度下也会使偏二甲肼起火燃烧。
对于这种剧毒、易燃、易爆的危险燃料,储存和加注工作都是对流程有着严格且苛刻的要求的。当然了,对于液氢和液氧不仅仅要求更加密封环境和谨慎的操作,还需要一整套设备保证零下250度的液氢和零下183度的液氧处于低温状态。这些也都是液体火箭相当复杂且成本高昂的原因。
同时,类似于偏二甲肼不仅仅是剧毒、易燃、易爆而且偏二甲肼和四氧化二氮以及看似安全一些的液氧都还有强烈的腐蚀性,火箭燃料箱内加注后的燃料如果不去使用则会不断的腐蚀燃料箱,这也就是为什么液体火箭在发射前十几个小时才开始加注燃料的原因了。即便是将加注后的燃料再次清空释放掉,这一枚火箭的燃料箱也难以满足下次发射的指标要求了。
因此液体火箭发仅仅能满足“按既定计划”发射的要求,想做到随时发射几乎是不可能的(俄罗斯的R-36弹道导弹有一些突破)。
最后的缺点则在于造价昂贵——液体火箭发动机喷管和燃料泵多采用铼合金制造。这是一种可以在高温下保持基本物理特性的合金。但铼是地球上最稀有的金属,整体上导致了液体火箭发动机的成本高居不下。
液体火箭发动机谈完了,咱们说说固体火箭发动机:
固体火箭发动机的结构相对于液体火箭发动机可以说是“简陋”。仅仅包括药室和喷管两个部分。
这种火箭发动机本身可以看作是我们宋代的玩具“穿天猴”的后代。结构和原理上基本上也没有太多改变。
其基本原理就是点燃药柱,药柱燃烧,产生大量高温气体推动火箭前进。
由于仅仅为固定形状的药柱,固体火箭发动机的性能特性就和药柱的形状有最大的关系。
最简单的理解为,药柱可以是一个单一的圆柱形状,从底端开始燃烧烧到末端结束,这种火箭发动机的成功案例就是我们的“穿天猴”了。但对于固体火箭则并不如此,从底端开始燃烧缓慢的烧到顶端火箭的重心会随着燃烧的时间不断的前移,导致“穿天猴”的飞行轨迹十分魔幻。
古人还是很有智慧的,一般的情况下会在穿天猴上面绑一根竹棒,相对于火药燃烧带来的重心改变就被竹棒的质量给抵偿了。竹棒(平衡杆)最大限度的保证了这种原始的固体火箭发飞行的稳定性。这个用“平衡杆”的案例实际上目前还有使用。
主要用在了PRG-7这类单兵火箭弹上面。而实际上这样来看,RPG-7就是一枚大个的“穿天猴”。
但这样的问题点在于,我们不可能将所有的固体火箭都放一个平衡杆,毕竟平衡杆的质量换成载荷的质量是更划算的。
因此在固体火箭中就开始设计不同形状截面的药柱了,力求药柱燃烧是一个药柱在长度上的均一同时燃烧,这样火箭在飞行中的重心改变就会变化的极小了。
下面是几种常见的药柱形状:
我们可以看到不同的药柱所产生的推力和燃烧时间的关系。这里就有一个解释来说明这样的关系了——“燃烧表面积”。当固体火箭药柱燃烧的时候,会从药柱中心开始向外围燃烧。如图1所表现的状态,燃烧开始的时候中心孔会不断扩大,这时火箭药柱燃烧的表面积就会不断的增加,增加的表面积意味着在同一时间内参与燃烧的发射药不断增加,因此推力是随着时间的推移不断加大的。
从图二可以看出的是发射药截面是一个环形发射药柱中间放置了柱状发射药柱。当环形药柱向外燃烧不断扩大表面积的同时,柱状药柱会不断向内燃烧,缩小了自身的燃烧表面积,这时火箭发动机的推力随着时间的变化并不大。
当然了,不同截面形状的药柱都有使用,主要是因为固体火箭发动机的用途不同。
固体火箭发动机也有三个优点:
1
结构简单造价低廉,相对于液体火箭发动机,固体火箭发动机结构更简单,并不存在燃料泵等复杂的机械结构,完全是药室、药柱和喷管,加工和材料要求都比较低廉,甚至可以用石墨纤维缠绕制成喷管。其价格仅仅相当于液体火箭发动机的1/10-1/20。
2
由于发射药柱是固体存在,因此药柱特性比液体火箭发动机燃料更稳定,储存起来就更加安全。这也是目前为什么大多数的导弹选用固体火箭发动机的原因。储存起来方便,投入使用快捷。
3
容易小型化,结构简单的固体火箭发动机可以做得很小很轻,这一点对于空军所用的导弹则是一个先天优势。
大部分空对空导弹都是使用的固体火箭发动机作为主要推进手段,在不过多的增加飞机负载的前提下达到比同等重量的液体导弹更强的性能(同时易于维护)。
当然有优点就会有缺点,事物的普遍规律嘛,固体火箭发动机由于采用固体装药,本身的比冲要比液体火箭发动机低了很多,甚至可有说是逊色很多。
美国为“太空发射系统(SLS)”研制的的固体火箭是目前最大推力的固体火箭(没有之一),单枚火箭推力可以达到1600吨,真空比冲时间为278.5秒。看起来或许是还算不错的数据,但和液体火箭发动机来比,例如使用煤油和液氧的梅林发动机,其比冲时间为311秒;而更强的我国发动机则可以达到350秒以上的比冲。
不过想想也可以知道,一枚炮仗的燃烧时间怎么可以和一小滩油来比呢?比冲时间短是固体火箭的一个硬伤,不过其价格便宜适用性强也让人们忍受了固体火箭的这一缺点。
所以说,固体火箭或者液体火箭并没有什么好于不好的区别,更多的是不同的火箭发动机适应的任务有没有特定的需求。
本文转载自公众号:机械知网
资料来源:军武数据库
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原标题:《固体火箭和液体火箭有什么区别?最全面的科普文来了》
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