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固体火箭发动机的基本原理

归档日期:08-12       文本归类:火箭发动机      文章编辑:爱尚语录

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  化学火箭发动机可分为固体、液体和固液混和发动机,只是按推进剂种类分的,基本原理上没差别

  展开全部火箭是以热气流高速向后喷出,利用产生的反作用力向前运动的喷气推进装置。通常火箭一词也包括导弹、航天器,甚至烟花焰火。最常见的火箭燃烧的是固体或液体的化学推进剂。推进剂燃烧产生热气,通过喷口向火箭后部喷出气流。火箭自带燃料和氧化剂,而其他各种喷气发动机仅须携带燃料,燃料燃烧所须的氧取自空气中。所以,火箭可以在地球大气层以外使用,而其他喷气发动机不能。火箭发射时产生巨大的推力使火箭在很短的时间内迅速升入高空,随着燃料不断减少,火箭自身质量逐渐减小,在与地球距离增大的同时,质量和重力影响不断下降,火箭速度也因此越来越快。“土星”5号火箭启程登月时,5台发动机每秒钟消耗近3吨煤油,它们产生的推力相当于32架波音747的起飞推力。无法确定火箭发明的确切时间。大部分专家认为中国人早在13世纪就研制出了实用的军用火箭。19世纪出现了几项重大技术进步:燃料容器的纸壳改为金属壳,延长了燃烧的持续时间;火药推进剂的配方标准化;制造出发射台;发现了自旋导向原理等等。19世纪末,火箭开始用于非军事目的,如用火箭携带救生索飞向海上遇难船只。19世纪末20世纪初美国科学家戈达德和其他几位专家奠定了现代火箭技术的基础,并发射了第一枚液体燃料火箭。20世纪70年代,美国研制出全新的火箭动力航天运载工具即航天飞机。它主要分3个部分:机身后部装有3台主发动机的轨道飞行器;装有液氢和液氧推进剂的外挂燃料箱(5分钟后脱落),保证主发动机工作;装有2台可分离的固体燃料火箭发动机(2分钟后脱落),它们与轨道飞行器主发动机同时启动,提供初始升空阶段的推力。1981年4月12日,人类第一架航天飞机“哥伦比亚”号发射升空。

  火箭是依靠火箭发动机喷射工质产生的反作用力推进的飞行器。它自身携带燃烧剂与氧化剂,不依赖空气中的氧助燃,既可在大气中,又可在外层空间飞行。火箭在飞行过程中随着火箭推进剂的消耗,其质量不断减小,是变质量飞行体。现代火箭可用作快速远距离运送工具,如作为探空、发射人造卫星、载人飞船、空间站的运载工具,以及其他飞行器的助推器等。如用于投送作战用的战斗部(弹头),便构成火箭武器。其中可以制导的称为导弹,无制导的称为火箭弹。

  简史 火箭起源于中国,是中国古代的重大发明之一。中国古代火药的发明与使用,为火箭的发明创造了条件。 北宋后期,民间流行的可升空的“流星” (后称“起火”),就利用了火药燃气的反作用力。按其工作原理,“流星”一类的烟火就是世界上最早用于观赏的火箭。南宋时期,不迟于12世纪中叶出现了军用火箭。到了明代初年,军用火箭已经相当完善并被用于战场,称为“军中利器”。明初时期的兵书《火龙神器阵法》和明代晚期的兵书《武备志》等有关文献,都详细记载了中国古代火箭的制作和使用情况,仅《武备志》就记载了20多种火药火箭,其中“火龙出水”火箭已是二级火箭的雏形。

  中国古代火箭技术传到欧洲之后,经改进,火箭 曾被列为军队的装备。早期的火箭射程近、落点散布大,以后被火炮代替。第一次世界大战后,随着科学技术的不断进步,火箭武器得到迅速发展,并在第二次世界大战中发挥了威力。

  19世纪末20世纪初,液体火箭技术开始兴起。1903年,俄国的К.E.齐奥尔科夫斯基提出了制造大型液体火箭的设想和设计原理。1926年,美国的火箭专家、物理学家R. H. 戈达德试飞了第一枚无控液体火箭。 1944年,德国首次将有控的、用液体火箭发动机推进的V—2导弹用于战争。第二次世界大战以后,苏联和美国等相继研制出包括洲际弹道导弹在内的各种火箭武器。

  中国于20世纪50年代开始研制新型火箭。1970年 4月24日,用“长征”1号三级运载火箭成功地发射了第一颗人造地球卫星。1975年11月26日,用更大推力的“长征”2号运载火箭(图1)发射了可回收的重型卫星。1980年5月18日,向南太平洋海域成功地发射了新型火箭。1982年10月,潜艇水下发射火箭又获成功。1984年4月8日, 用第三级装液氢液氧火箭发动机的 “长征”3号运载火箭(图2)成功地发射了地球同步试验通信卫星。1988年9月7日,用“长征”4号运载火箭(图3)将气象卫星成功地送入太阳同步轨道。1992年8月14日,新研制的“长征”2号E捆绑式大推力运载火箭又将澳大利亚的奥赛特B1卫星送入预定轨道。这些都表明火箭发源地的中国,在现代火箭技术领域已跨入世界先进行列,并已稳步地进入国际发射服务市场。

  在发展现代火箭技术方面,中国的钱学森、美国的W.von布劳恩和苏联的S.P.科罗廖夫等都做出了杰出的贡献。

  分类与组成 火箭可按不同方法分类。按能源不 同,分为化学火箭、 核火箭、电火箭以及光子火箭 等。化学火箭又分为液体推进剂火箭、固体推进剂火箭和固液混合推进剂火箭。按用途不同分为卫星运载火箭、布雷火箭、气象火箭、防雹火箭以及各类军用火箭等。按有无控制分为有控火箭和无控火箭。按级数分为单级火箭和多级火箭。按射程分为近程火箭、中程火箭和远程火箭等。火箭的分类方法虽然很多,但其组成部分及工作原理是基本相同的。

  火箭的基本组成部分有推进系统、箭体和有效载 荷。有控火箭还装有制导系统。

  火箭推进系统是火箭赖以飞行的动力源。其中火 箭发动机按其工质,可分为化学火箭发动机、核火箭发动机、电火箭发动机和光子火箭发动机等。广泛使用的是化学火箭发动机,它是依靠推进剂在燃烧室内进行化学反应释放出来的能量转化为推力的。推力与推进剂每秒消耗量之比称为比冲,它是发动机性能的主要指标,其高低与发动机设计、制造水平有关,但主要取决于所选用的推进剂的性能。火箭发动机的推力,是根据其特点和用途选定的,其大小相差很大,小到微牛,如电火箭发动机;大到十几兆牛,如美国航天飞机的固体火箭助推器。

  对有控火箭而言,为保证火箭准确地导向目标, 还装有制导系统。制导系统控制火箭的质心运动和绕质心的转动(俯仰、偏航与滚动),将火箭稳定而精确地导向目标。制导系统的日臻完善和制导精度的不断提高,是火箭技术发展的一大特点。

  箭体用来安装和连接火箭各个系统,并容纳推进 剂。箭体除要求具有良好的空气动力外形外,还要求在既定功能不变的前提下,质量越轻越好,体积越小越好。在起飞质量一定时,结构质量轻,则可获得较大的飞行速度或射程。

  运载火箭的有效载荷有人造卫星、飞船或空间探 测器等航天器。火箭武器的有效载荷就是战斗部(弹头)。

  为成功地发射火箭,还必须有地面发射设备和发 射设施。地面发射设备有大有小。小的可手提肩扛,如便携式防空火箭和反坦克火箭的发射筒(架);大的如卫星运载火箭,则需有固定的发射场和庞大的发射设施,以及飞行跟踪测控台站等。

  现状与发展趋势 20世纪50年代以来,火箭技术 得到了迅速发展和广泛应用,其中尤以各类可控火箭武器(导弹)和空间运载火箭发展最为迅速。从火箭弹到反坦克导弹、反飞机导弹和反舰导弹以及攻击地面固定目标的各类战术导弹和战略导弹,均已发展到相当完善的程度,已成为现代军队不可缺少的武器装 备。各类火箭武器正在继续向提高命中精度、抗干扰能力、突防能力和生存能力的方向发展。此外,反导弹、反卫星等火箭武器也正在研制和发展之中,在地地弹道导弹基础上发展起来的运载火箭,已广泛用于发射卫星、载人飞船和其他航天器等。 80年代初, 苏、 美两国已经分别研制出六、 七个系列的运载火 箭。其中,美国载人登月的“土星”5号火箭,直径10米,长111米,起飞质量约2930吨,近地轨道运载能力为127吨。苏联的“能源”号火箭,起飞质量约2000吨,近地轨道运载能力约为100吨。中国的“长征”2号E火箭(图5),采用了并联助推技术,不仅提高了运载能力,还为进一步发展更大运载能力的火箭奠定基础。运载火箭正向着高可靠性、低成本、多用途和多次使用的方向发展。可多次往返于太空和地球之间的航天飞机的问世就是这一发展趋势的体现。火箭技术的飞速发展,不仅可提供更加完善的各类导弹和推动相关科学的发展,还将使开发空间资源、建立空间产业、空间基地及星际航行等成为可能。

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