火箭推进

rocketeer

简介

火箭推进是一种精密的结构，它的原理主要是力学、热力学 (Thermodynamics)，以及其它有关科学之运用。火箭的推力源自牛顿第三定律 (Newton's 3rd Law, action and reaction)。燃料经过燃烧室 (combustion chamber) 燃烧以后，会产生高温高压的气体，之后再经过一个喷嘴 (nozzle) 而加速，并排气到外界。这些气体便是推动火箭的原动力。火箭以以下来分类:

• 气体加速法 (Gas Acceleration Mechanism)
• 能源来源 (Energy Source)
• 推力 (Thrust Level)

气体加速法 (Gas Acceleration Mechanism)

• 热力 (Thermal) eg: 一般的燃料火箭 (propellant rockets)
• 静电 (Electrostatic)  eg. 离子发动机 (ion thrusters)
• 电磁铁 (Electromagnetic) eg. MPD 发动机 (Magneto Plasma Dynamic Thrusters)

能源来源 (Energy Source)

• 化学 (Chemical)
• 太阳能 (Solar)
• 核能 (Nuclear)

推力 (Thrust Level)

• 高 ( > 1 G) eg. 运载火箭
• 低 ( < 1 G) eg. thrusters

火箭的特点

火箭跟一般的飞机引擎主要的不同点在于：飞机引擎只能在大气层内飞翔，但是火箭可以在外层空间工作，因为它不需要利用空气便能够燃烧推进。因此它的推力不会被高度影响 (thrust independent of altitudes)。除此之外,它的推力-重量比率 (thrust - weight ratio）是很高的 。

火箭的用处

• 非太空用途
  • 导弹推进系统 （propulsion system for missiles)
  • 超音速飞机推进系统 （primary propulsion system for supersonic research plane eg. X - series)
  • 飞机起飞辅助推进系统 （Assist take-off rockets forairplanes)
  • 逃生设备 (ejection of escape capsule)
• 运载火箭
  • Soyuz
  • Titan IV
  • Space Shuttle
• 太空用途
  • 轨道转移 (orbital change, plane change, trajectory transfer)
  • 轨道维持 (orbital control, orbital correction)

[ 本帖最后由 rocketeer 于 5-12-2007 01:02 PM 编辑 ]

rocketeer

化学火箭发动机 Chemical Rocket Engines

化学火箭发动机 （Chemical Rocket Engines) 可分为：

• 固态火箭发动机 (Solid Propellant Rocket Engines)
• 液态火箭发动机 (Liquid Propellant Rocket Engines)
• 混合式火箭发动机 （Hybrid Rocket Engines)

固态火箭和液态火箭是现今比较常用的火箭。此外，还有混合火箭---就是用固体的燃料 (solid propellants) 和液体的氧化剂 (liquid oxidizer)。另外，值得一提的是，现今运载火箭大多包含了液态火箭跟固态火箭，也就是说，一个火箭可能第一节 (first stage) 是固态的而第二节却是液态的。


固态火箭发动机  Solid Propellant Rocket Engines

固态火箭的燃料 (fuel) 和氧化剂 (oxidizer) 是以固体状态储存在火箭的彈体里面。固态火箭发动机的燃料是直接安装在火箭的后部，使用的時候利用点火器 （Ignitor)引发燃料燃烧，产生推力推送火箭。

主要部件:

• 点燃器 (Ignitor)
• 外壳 (Casing)
• 燃料核 (Grain)
• 喷嘴 (Nozzle)

固态火箭的好处：

• 设计简单，不需要额外的燃料槽 （fuel tank), 加压设备 （pressurized system) 等，重量较轻。(Simple Design)
• 不需时常维护, 燃料期限也长 ( Easier to maintain)
• 反应时间短
• 对环境冲击力的忍耐力强

固态火箭的坏处：

• 比冲量 (Specific Impulse) 较低
• 一旦启动就很难停止

例子:

• 太空梭的固态推进器 (Space Shuttle Solid Rocket Booster, SRB)
• Delta IV 的固态推进器

液态火箭发动机  Liquid Propellant Rocket Engines

液态火箭和固体火箭的不同之处在于燃料。顾名思义，液态火箭的燃料当然是在液状。液体的好处在它可被压缩 （compressible)，因此其  volume  会较固体低，同样的 density 下，重量就较低。这就是液态火箭的 specific impulse 较高的原因。

燃料特性

液态火箭燃料可分为需要特殊装置储存和能够保存一段时间两类。需要特殊装置的燃料需要加压和冷却设备，在燃烧前保持在液体状 , 比如 LH2 和 LOX。这一类的液态火箭燃料在发射前才会输入到火箭的燃料槽 (Fuel Tank)。

另外一类燃料是在一般环境下就是以液态存在，不需要另外的设备维持。早期这一类的燃料的腐蚀性很高，也无法常年的储放, 在处理或者是运输的过程当中, 安全措施需作好。后期的液态燃料转向能够在火箭燃料槽储存较长的时间，腐蚀性较低。不过这种燃料的储存年限仍是一定的，只是大幅延长。

液态火箭发动机的好处

• 比冲值 (Specific Impulse) 较一般的固体火箭高
• 可以间歇性的使用 (Throttlability)

液态火箭发动机的坏处

• 需要管线 (Piping) 与加压设备 (Pressurized System)，较固态火箭复杂得多
• 燃料的腐蚀性
• 储存的时间较短，需要定期更换与检查

液态火箭发动机可分为三种：

• Monopropellant
• Bipropellant
• Tripropellant

Monopropellant Rockets

Monopropellant rockets 是单一燃料的火箭, 只有一种燃料。 Hydrazine (N2H4) 和 Hydrogen Peroxide(H2O2) 是两种常用的燃料。其好处在于不需点燃器 (Ignitor), 只须催化器 (Catalyst, normally silver or platinum)。经过催化器,  燃料将分解 (decompose) 成气体和释放大量热能,造成自动燃烧 (self-ignition)。

用处:

这种火箭由于操作及设计简单, 因此多数用在卫星的轨道维持与方向转移 (attitude control)。





Bipropellant Rockets

Bipropellant rockets 是双燃料的火箭。两个燃料桶 (Fuel Tank) 分别装着燃料 (Fuel) 和氧化剂(Oxidizer)。数千种燃料和氧化剂的组合已经被测试, 很多种已证实可行。经过复杂的管线 (Piping) 与泵 (Turbopump),  燃料从燃料桶里的液状变成气状, 然后流至燃烧处 (combustion chamber)，再经点燃器就能点燃，释放出大量热能。

Bipropellant rockets 的操作原理看似简单，不过实际运用却是很复杂。当中的难处包括：

• 输送至燃烧处的燃料和氧化剂的比率需非常准
• 输送至燃烧处的燃料需是气状，因为液状在高温会变成气状再燃烧，这会导致燃烧的不稳定 （Combustion Instability)
• 燃料的疏漏 （leakage) 更是致命，因此 turbopump 和 piping 的设计需很谨慎
• 等等

用处:

• 卫星的主要火箭发动机 (major engine, eg. space shuttle main engine), 主要是用在大型的轨道转移 (orbital change, plane change manuevers)
• 运载火箭

Tripropellant Rockets

Tripropellant rockets 又可分为两种。 第一是由三种不同的燃料参在一起变成单一燃料 （mixture of three different type of propellants)。已经试过的有由 lithium, hydrogen 和 fluorine参在一起，specific impulse 是 546 seconds，这是化学火箭的最高了。不过这种燃料并不可以使用，因为排出的废气是很毒的，对环境的污染很大。

第二种是由一种 oxidizer 和两种 fuel （kerosene + LH2) 组成。 这种火箭可以交换使用不同的燃料, 基本上是两个发动机合成一个，共用一些零件如燃烧处 (combustion chamber)。 到目前为止，只有 Russia 曾经在 90年代制造过 (RD-701), 最后因经费不足而取消 。

RD-701:


混合式火箭发动机 Hybrid Rocket Engines

混合式火箭的燃料由两种不同性质( different state of matter) 的物质组成, 即固状和液状。其燃料 （fuel) 是固状的，而氧化剂 (oxidizer) 是液状的。混合式火箭可以说是固状火箭和液状火箭的合体。



混合式火箭的特点

• 可以间歇性的使用 (Throttlability)
• 设计较液状火箭简单 (Simpler design)
• 表现 (performance) 较固状火箭好

例子:

• SpaceShipOne 的 hybrid rocket motor

总结

在化学火箭, 我们有表现 (performance) 最好的液态火箭, 不过设计复杂, 科技门栏高; 也有设计简单, 科技门栏较低的固态火箭, 表现当然较液态火箭差。

两者之间, 我们有混合式火箭, 集合了固态火箭和液态火箭的好处与坏处。混合式火箭是当今大力研发的火箭种类, 火箭科学家正努力的减少混合式火箭的坏处, 凸现它的好处。

[ 本帖最后由 rocketeer 于 5-12-2007 05:24 PM 编辑 ]

fooyee

挺你，加油。
虽然我看不懂。

jlcybobo

加油！！！我挺你！！！

pfg1group

楼主的资料不错。
但是还是需要努力默默耕耘。

如果楼主不介意，我想补充一点，
ion truster已经在欧洲火星探测车上使用，未来的希望。
另外固体燃料火箭的技术门榄相对较低。

但是有一点我不太明白的是，
第一节火箭主要是要逃离地球引力场。
大推力是关键，那样为什么反而第一节火箭会使用specific impulse更低的固体火箭？

另外，由于火箭推进可以用在各种用途上，
建议楼主把重点放在其中一个用途上，
例如非火箭用途或是太空上，否则读者们很容易眼花缭乱confused.

rocketeer

谢谢您的忠告！！

我之所以提出火箭的非太空用途，主要是希望大家有一个较广的看法，和知道火箭不只是用在太空罢了。

这个帖会是关于火箭在宇航业的角色。

至于您提出的问题，我手上有的资料是：

在 space shuttle 的发展初期，liquid rocket booster(LRB) 是有被考虑的，尤其是 Challenger 的意外后，不过由于开发新的 LRB 系统的开销太高，结果 NASA 决定用回 solid rocket booster (SRB), 只是改进和改良 SRB.

还有就是 LRB 的燃料即 LOX 和 LH2，需低温储存，还有 LRB 复杂的 pressurized system, feeding system 等等,就如您说的一样技术门榄高. 工程角度来看呢, 越复杂的系统, 意外发生的几率就越高.

在 spacecraft (SC) design 的观点, 我们设计出来的 SC 未必是最好的设计. 很多方面要考量, 其中包括 cost, technology availability, time 等等. 简单来说我们不会用很高的费用和很长的时间来设计一个最好的,反而是用有限的费用和时间设计一个适合的(不是最好的).

火箭的表现来看, 就用 Ariane 4 为例, 44P model(用 SRB) 可以送 3465 kg 到 geostationary orbit (GEO);反观 44L model (用 LRB)可以送 4790 kg 到 GEO. 安全是一个很重要的考量, 安安全全的送 3465kg 和心兢胆跳的送 4790kg 上太空有很大的分别.

最后我的看法是:

除非 LRB 被证明和 SRB 一样或更可靠,而且 SRB 的推力也足以逃离地球引力,只是载量方面会较吃亏, 所以纵观各方面的利害关系,设计师还是会以 SRB 为主要考量. 当然在一些特别的情况下, LRB 还是会被考虑和采用的.  

希望我答到您的问题.

blackbird

终于看到你的发帖了

先代表本版谢谢你咯
其他人呢？
唱歌那位呢？

大家耐心点
给与支持
rocketeer就会 发表更多关于太空的东西了

无聊使者

谢谢楼主的分享，这些都是很好的知识。

pfg1group

谈不上忠告，仅为意见交流而已。

楼主的回复证明楼主是有料之人。
此楼值得继续跟进。

继续等楼主有关液态火箭的资料。

rocketeer

有料之人？？

还有一段很长的距离。。。。。。

rocketeer

化学火箭发动机 完成了！！

superDog

谢谢！很好的百科资料。