火箭發動機

火箭發動機是噴氣發動機的一種，將推進劑箱或運載工具內的反應物料變成高速射流，由於牛頓第三定律而產生推力。火箭發動機可用於航天器推進，也可用於導彈等地面應用。大部分火箭發動機都是內燃機，也有非燃燒形式的發動機。工作原理.大部分發動機靠排出高溫高速尾氣來獲得推力，固體或液體推進劑燃燒產生尾氣。向燃燒室供入推進劑.液體火箭透過泵將氧化劑和燃料分別泵入燃燒室，兩種推進劑成分在燃燒室混合並燃燒。而固體火箭的推進劑事先混合好放入儲存室，工作時儲存室就是燃燒室。固液混合火箭使用固體和液體混合的推進劑或氣體推進劑，也有使用高能電源將惰性反應物料送入熱交換機加熱，這就不需要燃燒室。火箭推進劑在燃燒並排出產生推力前通常儲存在推進劑箱中。推進劑一般選用化學推進劑，在經歷放熱化學反應後產生高溫氣體用於火箭推進。燃燒室.化學火箭的燃燒室通常呈圓柱體形，其尺寸要滿足推進劑充分燃燒，所用推進劑不同，尺寸不同。用formula_1描述燃燒室尺寸：formula_2這裡：formula_3 是燃燒室容量formula_4 是噴口面積L* 的範圍通常為25-60英寸燃燒室的壓力和溫度通常達到極值，不同於吸氣式噴氣發動機有足夠的氮氣來稀釋和冷卻燃燒，火箭發動機燃燒室的溫度可達到化學上的標準值。而高壓意味著熱量在燃燒室壁的傳導速度非常快。噴管.發動機的外形主要取決於膨脹噴管的外形：鐘罩形或錐形。在一個高膨脹比的漸縮漸闊噴管中，燃燒室產生的高溫氣體透過一個開孔排出。如果給噴管提供足夠高的壓力，就會形成噴管阻流和超音速射流，大部分熱能轉化為動能，由此增加排氣的速度。在海平面，發動機排氣速度達到音速的十倍並不少見。一部分火箭推力來自燃燒室內壓力的不平衡，但主要還是來自擠壓噴管內壁的壓力時對內壁的壓力是火箭朝向一個方向運動，而尾氣向相反的方向。推進劑效率.要使發動機有效利用推進劑，需要用一定質量的推進劑產生最大可能壓力作用於燃燒室和噴管，此外以下方法也能提高推進劑效率：因為所有的措施都是出於減輕推進劑質量的考慮；壓力與被加速的推進劑量成比例關係；也因為牛頓第三定律，作用於發動機的壓力也作用於推進劑。廢氣出燃燒室的速度似乎是由燃燒室壓決定的。然而該速度明顯受上述三種因素影響。綜合起來，排氣速度就是檢驗發動機效率的最好證明。由於空氣動力的原因，廢氣在噴口產生阻流效應。音速隨溫度平方根增長，因此使用高溫尾氣能提高發動機效能。在室溫下，空氣中的音速為340 m/s，而在火箭的高溫氣體中可達1700 m/s以上，火箭的大部分效能都是由於高溫。加之火箭推進劑通常選用小分子，這也使得在同等溫度下，廢氣中音速高於空氣中音速。噴管的膨脹設計使排氣速度翻倍，通常是1.5至2倍，由此產生準高超音速排氣射流。速度的增量主要由面積膨脹比決定，即噴口面積與噴管出口面積的比值。而氣體的性質也很重要。大膨脹比的噴管尺寸更大，但能使廢氣釋放更多的熱，由此提高排氣速度。噴管效率受工作高度影響，因為大氣壓力隨高度升高而降低。但由於尾氣是超音速的，因此射流的壓力只會低於或高於圍壓，不能與之平衡。反壓力和最佳膨脹.要獲得最佳效能，尾氣在噴管末端的壓力需要與圍壓相等。如果尾氣壓力小於圍壓，運載器就會因為發動機前端與末端的氣壓差而減速。而如果尾氣壓力大於圍壓，本該轉換成推力的尾氣壓力沒有轉換，能量被浪費。為了維持尾氣壓力和圍壓的平衡，噴管直徑需要隨高度升高而增大，使尾氣有足夠長的距離作用於噴管，以降低壓力和溫度。而這增加了設計難度。實際設計中通常採用折衷的辦法，因而也犧牲了效率。有許多特殊噴管可以彌補這種缺陷，如塞式噴管、階狀噴管、擴散式噴管以及瓦形噴管。每種特殊噴管都能調整圍壓並讓尾氣在噴管中擴散更廣，在高空產生額外的推力。當圍壓足夠低，如真空，就會出現一些問題：一個問題是噴管的剪重，在一些運載器中，噴管的重量也影響著發動機效率。第二個問題是尾氣在噴管中絕熱膨脹並冷卻，射流中某些化學物質會凝結產生“雪”，導致射流的不穩定，這是必須避免的。動力迴圈.相對噴管處的熱能損失而言，泵氣損失微乎其微。大氣中使用的發動機使用高壓動力迴圈來提高噴管效率，而真空發動機則無此要求。對於液體發動機，將推進劑注入燃燒室的動力迴圈共有四種基本形式：發動機整體效能.火箭技術集合了高推力以及能在大氣層外工作的能力。而且往往可以透過削弱一種效能而使另一種效能更高。比衝.衡量發動機效能的重要指標就是單位質量的推進劑產生的衝量，即比衝度量。比衝大的發動機往往是效能極佳的。淨推力.以下是發動機淨推力的近似值計算公式：formula_7這裡：formula_8尾氣質量流formula_9有效排氣速度formula_10 噴管出口平面處的實際速度formula_11 噴管出口平面流面積formula_12 噴管出口平面靜壓formula_13圍壓由於火箭發動機沒有噴氣式發動機的進風口，因此不需要從總推力中扣除衝壓阻力，因為淨推力就等於總推力。formula_14代表動量推力，在給定的節流閥設定下是常數。而formula_15代表壓力推力，在節流閥全開時，火箭淨推力隨高度升高略有提高，因為逐漸降低的大氣壓增加了壓力推力值。真空比衝.比衝隨易比較和計算的壓強變化。因為火箭噴口產生阻流，超音速的尾氣射流阻止外部壓力影響射流上游，所以噴管出口壓力與推進劑流量 formula_16成嚴格的比例關係。如果推進劑混合率和燃燒效率保持恆定，那麼上述比衝方程可寫作：formula_17於是真空比衝為：formula_18這裡：formula_19 噴口出音速formula_20 噴管的推力系數因此：formula_21節流.發動機可透過控制推進劑流量formula_16 來達到節流的目的。原則上，發動機可透過節流使出口壓力降至圍壓的三分之一而上限可至發動機機械強制允許的最大值。實際上發動機可節流的範圍要出入很大，但大部分火箭都可以輕易達到其機械上限，主要的限制因素就是燃燒穩定性。例如推進劑噴管需要一個最小壓力來避免引起破壞性振動，但噴管往往可以在更大的範圍內進行調整和測試。而且有必要保證噴管出口壓力不會低於圍壓太多，以避免流動分離問題。能量效率.火箭發動機是一種效率極高的熱力發動機，產生高速射流，結果如同卡諾迴圈一樣產生高燃燒室溫度和高壓縮比。如果運載工具的速度達到或略微超過排氣速度冷卻.反應物料在燃燒室的反應溫度可達約3500 K (~5800 °F)。這個溫度遠超出噴管和燃燒室材料的熔點。的確在某些材料自身承受範圍內能找到合適的推進劑，但要保證這些材料不會燃燒，熔化或沸騰也很重要。材料工藝決定了化學火箭尾氣溫度的上限。另一種方法就是使用普通材料如鋁、鋼、鎳或銅合金並採用冷卻系統來防止材料過熱。如再生冷卻，使推進劑燃燒前透過燃燒室或噴管內壁的管道。其他冷卻系統如水幕冷卻、薄膜冷卻可以延長燃燒室和噴管的壽命。這些技術可以保證氣體的熱邊界層在接觸材料時溫度不會影響材料的安全性。火箭中的熱流通量往往在工程學上是最高的，其變化範圍在1-200 MW/m2。而噴口處熱流通量又是最高的，通常是燃燒室和噴管處的兩倍。這是由於噴口處尾氣的高速和高溫造成的。大部分其他的噴氣式發動機的燃氣輪機運轉在高溫下，但由於其表面積過大，難以冷卻，因此不得不降低溫度，損失了效率。火箭常用的冷卻方式有：所有的冷卻措施都是要在室壁形成一層比室內溫度低的隔離層，只要這層隔離層不被破壞，室壁就不會出問題。而燃燒不穩定或冷卻系統故障常常會導致邊界層的保護中斷，隨後導致室壁被破壞。再生冷卻系統還有第二層邊界層，就是圍繞室壁的冷卻管道壁。由於這層邊界層充作室壁和冷卻劑的隔離層，因此其厚度要儘可能地薄，這可以透過加快冷卻劑流速來實現。機械問題.火箭燃燒室工作在高壓下，通常是10-200 bar  。這使燃燒室外部處於很大的圓周應力之下。也由於高溫工作環境，結構材料的抗張強度顯著降低。聲學問題.火箭發動機內的極端振動和聲學環境導致其峰值應力遠高於平均值，尤其是類風琴管共振和氣流擾動的問題。燃燒不穩定.燃燒不穩定有以下幾種：這是運載器加速度變化引起推進劑輸送管壓力變化，導致的燃燒室壓力的低頻振動。可使運載器推力發生週期性變化，導致載荷和運載器受損。間歇性燃燒可透過使用高密度推進劑配上充氣阻尼渦輪泵來防止。這是由於推進劑噴射器中壓力不足導致的。主要是令人不悅，並無實質性危害。然而在某些極端情況，燃燒可能進入噴射器內，引發單元推進劑的爆炸。這種情況往往造成直接損傷，且很難控制。它往往是伴隨化學燃燒過程的聲學過程，是能量釋放的主要驅動力。可導致不穩定共振，使隔熱邊界層變薄，產生悲劇性後果。這種影響很難在設計階段預先分析，只能透過曠日持久的測試，並不斷修正來。修正手段通常有細調噴射器，改變推進劑化學性質，或在將推進劑噴射進亥姆霍茲阻尼器前蒸發成氣態。還有一種常用測試方法是在燃燒室引爆少量炸藥，以確定發動機的脈衝響應，並估算室壓的響應時間：恢復越快，系統越穩定。排氣噪音.火箭發動機比起其他發動機，其噪音十分大。特超音速尾氣與周圍空氣混合，形成衝擊波。衝擊波的聲音強度取決於火箭的尺寸。土星五號發射時，在離其發射點很遠處的地震儀檢測了這一噪音。產生的聲音強度依賴於火箭尺寸和排氣速度。在現場聽到的衝擊波特徵音主要是爆裂音。這種噪音的峰值超過了傳音器和音訊電子裝置的許可上限，因此在錄音或廣播音訊回放中這種噪音被削弱或消失了。大型火箭發射時的噪音可以直接致死周圍的人。 太空梭起飛時基地周圍的噪音超過200 dB(A)。通常火箭在地面附近的噪音最大，因為噪音從羽流中輻射出去，並被地面反射。還有當運載器緩慢上升時，只有很少的推進劑能量轉換成運載器動能，因此大部分能量被分散到尾氣中，再與周圍空氣相互作用，產生噪音。這種噪音可透過有頂火焰隔離槽，向羽流噴水，偏轉羽流角度等方法消減。試車.發動機在投產前通常要在火箭發動機試車臺上進行靜態測試。對於高空發動機，則需要縮短噴管或在大型真空室中進行測試。安全性.火箭給人的印象是不可靠、危險、災難性事故。軍事用途的火箭可靠性都很高。但火箭的一個主要非軍事用途：軌道發射，為了提高有效載荷重量就必須降低自重，而可靠性和降低自重是無法同時滿足的。而且如果運載器飛行次數很少，那麼由設計，操作或製造引發事故的機率就很高。其實現在所有運載器發射都是基於宇航標準資料下的飛行測試。X-15火箭飛機的失誤率只有0.5%，只在一次地面測試中發生了故障。RS-25已在超過350次飛行中無事故發生。化學問題.火箭推進劑要求使用高比能物質，因為在理想情況下所有反應物質全部轉化為廢氣動能。除了不可避免的損失和發動機設計缺陷，不完全燃燒等因素，根據熱力學定律，一部分能量轉化為分子的動能，無法產生推力。單原子氣體如氦氣只有三個自由度，相當於一個三維空間座標 {"x,y,z"}，只有這種球形對稱分子沒有這種損失。二原子分子如H2可以繞連線方向的軸和垂直這個方面的軸旋轉，按照統計力學的均分定律，有效能量會均分給各個自由度，因此這種分子在熱平衡中有3/5的能量轉化為單向運動，2/5轉化為旋轉運動。三原子分子如水分子有六個自由度。大多數化學反應都是第三種情況。噴管的功能就是將自由熱能轉化為單向分子運動產生推力，只要廢氣在膨脹時保持平衡狀態，擴散型噴管足夠大，而讓廢氣充分膨脹和冷卻，損失的旋轉能能最大限度地恢復為動能。雖然推進劑比能起關鍵作用，低平均分子質量的反應產物在決定尾氣速度上作用依然明顯。因為發動機工作在極高溫度下，而溫度與分子能量成正比，一定溫度一定定量的能量分配給更多的低質量的分子最終可以獲得更高的尾氣速度。因此使用低原子質量元素更優。液氫是目前廣泛使用的相對尾氣速度而言效率最高的推進劑。其他物質如硼，液態臭氧在理論上效率更高，但付諸使用任存在許多問題。點火.點火可以採取多種途徑：火工裝藥，等離子體焰矩，電火花塞。一些燃料和氧化劑相遇燃燒，而對於非自燃燃料，可以在燃料管口填充自燃物質。對液體和固液混合火箭來說，推進劑進入燃燒室都必須立刻點火。液體推進劑進入燃燒室後點火延遲毫秒級時間，都會導致過量液體進入，點燃後產生的高溫氣體會超過燃燒室設計最大壓力，從而引起災難性後果。這叫做“硬啟動”。氣體推進劑不會出現硬啟動，因為噴注口總面積小於噴管口面積，點火前即使燃燒室充滿氣體也不會形成高壓。固體推進劑通常使用一次性火工裝置點燃。點火後，燃燒室可以維持燃燒，點火器不再需要。發動機停機幾秒鐘後，燃燒室可以自動重點火。然而一旦燃燒室冷卻，許多發動機都不能再點火。羽流物理.煤油的廢氣富含碳，根據其發射譜線羽流呈橙色。基於過氧化物氧化劑和氫燃料的火箭的羽流大部分是水蒸汽，肉眼幾乎不可見，但在紫外線和紅外線視野中呈亮色。固體火箭推進劑含有金屬元素如鋁，其燃燒發白光，因此其羽流高度可見。部分推進劑組合之下，燃燒時既會發出可見光、廢氣中又少有固體微粒，羽流為半透明狀；此類火箭在低空飛行過程中，其羽流往往呈馬赫環。火箭的羽流形狀取決於設計高度，高度推力及其他因素。在高空所有火箭尾焰都呈超過度膨脹狀態，並在尾部收束。火箭發動機種類.太陽能火箭.太陽熱能推進火箭使用太陽能加熱反應物料，因此可以不使用其他太陽能推進器所使用的發電機。太陽能推進火箭只需要裝備能收集太陽能的裝置如聚集器和反射鏡。受熱推進劑送入傳統火箭噴管產生推力。推力大小直接決定於太陽能聚集器表面積和該處太陽輻射強度。核動力.核推進涵蓋了多種使用核反應為主要能源推進方式，多種核推進方案被提出，其中一些正在為宇航應用進行實驗。火箭發動機歷史.據羅馬作家格利烏斯所述，公元前400年，一位名叫阿爾希塔斯的希臘畢達哥拉斯信徒用蒸汽推動一隻木鳥沿線前行。 然而因推力不足而無法離地。公元一世紀古希臘人制造了汽轉球，實際由一臺固定在軸承上的熱水發動機組成，它的誕生早於工業革命近兩千年。顯然汽轉球更像一個玩具，其原理是以蒸汽產生噴射動力，而其真正的價值數千年間都沒有被髮掘。使用黑火藥發射物體成為後來固體火箭的先驅，九世紀中國的道士在煉製長生不老藥中無意發明了火藥，這項意外發明導致世界上第一種離地火箭發動機“火炮”的誕生。火箭發動機亦被邁索爾國王蒂普蘇丹引入使用。這些火箭尺寸不同，但都含有一個軟鍛鐵製造的管道，一端封閉，8英寸長，直徑1--3英寸。綁在一根4英尺長的竹筒上。鐵筒當做燃燒室並裝有約1磅火藥，可發射至千米遠處。此種“火箭”配上箭簇在離地幾米的空中做長距離飛行後刺向敵人。當時在對付英帝國時非常有效。20世紀前，火箭技術都發展緩慢，直到康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基，在他的著作中首次提到了液體燃料火箭。而將之變為現實應該歸功於羅伯特·戈達德，在他將漸縮漸闊噴管首次用於火箭，這加倍了推力並使工作效率成倍提高。分級燃燒迴圈是阿列克謝· 伊薩耶夫在1949年首次提出的，伊薩耶夫的前助理梅爾尼科夫設計的用於蘇聯行星火箭的S1.5400發動機首次採用了這種迴圈。幾乎在同時，於1963年製造的。液氫發動機是首先在美國研製成功的，即在1962年試飛成功的RL-10。液氫發動機也成功服務於阿波羅計劃。RS-25是目前在使用的比衝最高的發動機。