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什么是固体火箭发动机?它的原理是什么?

什么是固体火箭发动机?它的原理是什么?


火箭推进剂是燃烧产生火箭推力的化学混合物,由燃料和氧化剂组成。 燃料是一种可以处于液态或固态的物质,当与产生氧气的气体结合用于推进时燃烧。氧化剂是一种与燃料结合释放氧气的药剂。如果推进剂全为固态的,那么就是固态火箭了。本文将简略介绍下固体火箭的定义及原理。

固体推进剂火箭或固体火箭是一种带有火箭发动机的火箭,它使用固体推进剂(燃料/氧化剂)作为燃料推进。最早的火箭是以火药为动力的固体燃料火箭,早在13世纪就被中国人、印度人、蒙古人和波斯人用于战争。

直到20世纪,当液体推进剂火箭提供更有效和可控的替代品时,所有火箭都使用某种形式的固体或粉状推进剂。 目前,固体火箭仍在全球军用武器,模型火箭和大型应用中使用,因为它们具有优越的简单性和可靠性。

由于固体燃料火箭可以长时间保存,然后在短时间内可靠地发射,因此它们经常用于诸如导弹等军事应用中。固体推进剂(与液体相比)的性能较低,不利于在通常用于商业卫星轨道运行和发射主要空间探测器的现代中大型运载火箭中作为主要推进剂使用。然而,当需要高于正常的速度时,固体经常用作带式增压器以增加有效载荷容量或用作旋转稳定的附加上部级。固体火箭用作低地球(近地)轨道(LEO)有效载荷低于2吨或逃逸有效载荷高达500公斤(1100磅)的轻型运载火箭中。



固态火箭发动机,图:Redline

基本概念

一种简单的固体火箭发动机由壳体、喷嘴、颗粒(推进剂装药)和点火器组成。固体颗粒以可预测的方式燃烧以产生排气(排放气体)。 计算喷嘴大小以维持设计时的燃烧室压力,同时产生来自排气的推力。

一旦点燃,就不能关闭简单的固体火箭发动机,因为它所需的所有燃烧成分都包含在燃烧室内。 更先进的固体火箭发动机不仅可以节流(伐),而且还可以熄灭,然后可以通过控制喷嘴几何形状或通过使用排气口重新点火。 此外,还有可提供分段燃烧并可根据指令点燃的脉冲火箭发动机。

现代设计还可以包括用于制导(引导)的可操纵喷嘴、航空电子、回收硬件(降落伞)、自毁机构、APU、可控战术马达、可控转向和姿态控制电动机以及热管理材料。

固体推进剂火箭的工作原理

固体推进剂火箭包括所有较旧的烟花火箭,然而,现在有更先进的燃料,用于固体推进剂的设计和功能。

固体推进剂火箭是在液体燃料火箭之前发明的。 固体推进剂类型始于科学家Zasiadko,Constantinov和Congreve的贡献。 现在处于先进状态的固体推进剂火箭今天仍在广泛使用,包括航天飞机的双增压发动机和德尔塔系列运载火箭的增压级。



起飞中的阿特兰蒂斯号航天飞机,图:NASA

固体推进剂的功能如何

表面积的范围影响着暴露于内燃火焰推进剂的量,与推力有直接关系。 表面积的增加会增加推力,但同时也会减少燃烧时间,因为推进剂以加速的速度消耗。最佳推力通常是恒定的,这可以通过在燃烧过程中保持恒定的表面面积来实现。

恒定表面积的颗粒设计的例子包括:端面燃烧、内核和外核燃烧、以及内部星形核心燃烧。

由于一些火箭可能需要用于起飞的初始高推力分量,而较低的推力将满足其发射后回归推力(逆冲)的要求,因此各种形状被用于优化颗粒与推力之间的关系。在控制火箭燃料的表面暴露面积时,复杂的颗粒核心模式通常具有涂有非易燃塑料(如醋酸纤维素)的部件。该涂层可防止内燃火焰点燃该部分燃料,只有当燃烧直接到达燃料时才点燃。

具体的比冲量

在设计火箭的推进剂颗粒时,必须要考虑其特定的比冲量,因为它可能导致差异失效(爆炸),以及成功优化火箭产生的推力。



固态火箭的导弹武器,图:User:Dammit

小知识:比冲或比冲量(英语:specific impulse)是对一个推进系统的燃烧效率的描述。比冲的定义为:火箭发动机单位重量推进剂产生的冲量,或单位重量(重力)流量的推进剂产生的推力。比冲的单位为米/秒(m/s)或牛·秒/千克(N·s/kg)(考虑单位质量流量的推进剂),工程上会考虑单位重量流量的推进剂。比冲的单位习惯使用秒(s),可以理解为1kg的物质产生1kg力的推力,可以持续的时间(秒数)。比冲越高代表效率越好,亦即可以用相同质量的燃料产生更多的动量。

参考资料

1.WJ百科-英文版(Solid-propellant rocket/比冲)

2.How a Solid Propellant Rocket Works

3.Solid Rocket Engine - Glenn Research Center

文章作者:零度星系(天文在线)

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最终审核

编辑用时:2018年10月2日-2018年10月2日(花费时长:约2个小时)

审核用时

最后更新:2018年12月27日星期四

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全文排版:天文在线(零度星系)

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发布于 2018-12-27

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