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火箭推进剂:使火箭飞得更高更远的大功臣

发布时间:2015-10-11 20:27   浏览 3511 次

上个月,同为我国新一代运载火箭,长征六号运载火箭长征十一号固体运载火箭相继升空。而两者最大的不同是:“长征六号”是液体运载火箭,“长征十一号”是固体运载火箭。

所谓“液体”和“固体”,指的是火箭在飞天时为其提供动力的推进剂的形态。

在当今世界航天领域,火箭推进剂主要有三种类型的推进剂:液体、固体和混合型。今天,咱就来聊一聊这些推进剂具体是个啥。

液体推进剂

液体推进剂的燃料和氧化剂都是液态的保存在火箭燃料箱中的。

目前较普遍的一种液体推进剂组合是用混肼-50(与煤油相类似)作燃烧剂,四氧化氮作氧化剂。这种组合剂可在室温下储存,但其燃烧效率比较低。

另一种组合是液氢做燃料,液氧做氧化剂。这种组合是当前最有潜力的组合,其燃烧效率很高,但由于液氢和液氧的沸点都很低,所以其保存需要超低温的储存箱,使温度接近绝对零度,在零下二百摄氏度左右,才能保证它们在液态,一旦温度超过沸点液体变成气体,就无法再用作推进剂。由于其比较复杂,目前,只有中国、美国、俄罗斯、法国和日本等少数几个国家掌握这种低温液体火箭技术。

当前,大多数液体推进剂要求用火花点火开始燃烧。但有些燃料和氧化剂混合时会自动产生化学反应点火燃烧,我们称之为自燃推进剂。使用自燃推进剂的发动机不需要点火系统,而且更加可靠,但这种推进剂几乎可锈蚀所有与之接触的物质,而且含有剧毒。

与之前不同的是,“长征六号”等我国新一代运载火箭,它们之所以称为“新一代”,主要是因为应用的液体火箭推进剂与我国之前的现役火箭有毒的推进剂完全不同。它采用液氧煤油作为推进剂,这两种物质是无毒无污染的。

固体推进剂

固体推进剂由油灰或橡胶状的可燃材料构成,是燃料和氧化剂的混合体。烧固体推进剂的火箭称为固体火箭,比如长征十一号固体运载火箭。

固体火箭的箭体与液体火箭的箭体差别不大,但内部没有推进剂储存箱,而是把整个火箭体的内部从上到下装满固体推进剂。在火箭体的中心有一条窄窄的圆柱形缝隙贯穿推进剂的模芯,该缝隙称为燃烧室,它可使推进剂从上到下均匀燃烧。火箭底部的喷管,将燃烧室的排气导入合适的方向。

由于燃烧室是推进剂在中间留出来的缝隙,如果这个缝隙是圆柱形的,当火箭顶端的点火器击发点火后,随着燃烧的继续,燃烧室的表面积开始增大,使得推进剂与推进剂接触的面积增大,每一时间燃烧的推进剂开始增多,产生的推力也相应地加大。因此火箭在最初产生的推力较小,但随着时间的增加,推力逐渐增大,直到燃烧的最后阶段火箭获得最大的推力。考虑一下如果缝隙的形状不同,那它产生推力的效果也会不同。星形开缝在整个加力期间会均匀地产生推力,但推进剂要比圆柱形的燃烧快一些。现在火箭推进剂模芯中开的缝隙形状分为圆柱形、管形、星形、多翼形、十字形等。

与液体推进剂相比,固体推进剂最大的优势在于它可以在室温下储存。而且发动机不需要其他复杂的部件,而液体推进剂的发动机要求有专门的设备来控制液体注入燃烧室。当然也正是由于这个原因,使得固体推进剂的燃烧不容易控制,在燃料没有烧完的情况下,很难实现发动机的关闭,因此不具备多次点火的能力。早期的固体火箭基本都是一次燃烧,但随着技术的发展,现在已经出现多次点火的固体火箭。

惰性推进剂

一些火箭设计的推进剂来自非化学能源或甚至是来自外部的能源。例如水火箭使用压缩气体,一般是空气,迫使水从火箭喷出。太阳能火箭和核能火箭通常建议使用液氢以达到600-900秒Isp(比冲),或在某些情况下,用水蒸汽达到190秒Isp。

此外对于低性能要求的情况,如姿态喷射器,也有用惰性气体氮气的。

离子推力器

离子推力器,离子推进器又称离子发动机,其原理是先将气体电离,然后用电场力将带电的离子加速后喷出,以其反作用力推动火箭。这是目前已实用化的火箭技术中,最为经济的一种。

因为只要调整电场强度,就可以调整推力,由于比冲远大于现有的其他推进技术,因此只需要少量的推进剂就可以达到很高的最终速度,而既然太空船本身不需要携带太多燃料,总重量大幅减少后就可以使用较小而经济的运载火箭,节省下来的燃料更是可观。

而离子推进剂缺点是,它的推力很小,目前的离子推进系统只能吹得动一张纸,无法使太空船脱离地表,而且也需要很长的时间进行加速。在经过很长时间的持续推进后,将会获得比化学推进快很多的速度,这使得离子推力器被用在远距离的航行中。

离子推力器只能应用于真空的环境中,目前航天器,尤其是卫星在太空当中调整姿态和转移轨道都是运用这种推进剂。

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