18新利最新登入火箭发动机的工作原理

想象一下这样的情景:你穿着一件太空服你漂浮在太空中航天飞机；你手里正好拿着棒球。

如果你投掷棒球，你的身体会做出反应，向球的相反方向移动。控制你身体移动速度的东西是重量你投出的棒球数量加速度应用于它。质量乘以加速度是力(f = m * a)，无论你对棒球施加什么力，你的身体都会受到一个相同的反作用力(m * a = m * a)，所以我们假设棒球重1磅，你的身体加太空服重100磅。你以每秒32英尺(21英里)的速度扔掉棒球。也就是说，你用手臂加速1磅重的棒球，使它的速度达到每小时21英里。你的身体会有所反应，但它的重量是棒球的100倍。因此，它以棒球的百分之一的速度移动，或每秒0.32英尺(0.21英里/小时)。

如果你想产生更多推力对于棒球，你有两个选择:增加质量或增加加速度。你可以扔一个更重的棒球，或者一个接一个地扔几个棒球(增加质量)，或者你可以扔得更快(增加它的加速度)。但这就是你所能做的。

火箭发动机通常以A的形式抛出质量高压气体．发动机向一个方向释放大量气体以得到反方向的反应。质量来自火箭发动机燃烧的燃料的重量。燃烧过程加速了燃料的质量，使其以高速从火箭喷管中喷出。燃料燃烧时从固体或液体变成气体这一事实并不改变其质量。如果你燃烧一磅火箭燃料，一磅废气就会以高温高速气体的形式从喷管中喷出。形状变了，但质量不变。燃烧过程加速了质量。

接下来让我们了解更多关于推力的知识。

火箭发动机的“强度”被称为它推力．在美国，推力的单位是“磅推力”，在公制下则是牛顿(4.45牛顿的推力等于1磅推力)。一磅的推力是让一个1磅的物体在重力的作用下保持静止所需要的推力重力究竟等等地球，重力加速度是32英尺每秒(21英里每秒)。如果你带着一袋棒球漂浮在太空中，以每秒21英里的速度向外扔出一个棒球，你的棒球将产生相当于1磅的推力。如果你以每小时42英里的速度投掷棒球，那么你将产生2磅的推力。如果你以2100英里每小时的速度抛出它们(也许是用某种棒球枪把它们射出去)，那么你就会产生100磅的推力，以此类推。

火箭遇到的一个有趣的问题是，发动机想要抛出的物体实际上有重量，而火箭必须携带这个重量。假设你想在一小时内产生100磅的推力以2100英里/小时的速度每秒扔一个棒球。这意味着你必须从3600个1磅重的棒球开始(一小时有3600秒)，或者3600磅重的棒球。因为你的体重只有100磅宇航服，你可以看到你的“燃料”的重量使有效载荷(你)的重量相形见绌。事实上，燃料重量是有效载荷的36倍。这很常见。这就是为什么你现在必须有一个巨大的火箭才能把一个小人送入太空——你必须携带大量的燃料。

在航天飞机上你可以很清楚地看到重量方程。如果你看过航天飞机发射，你就知道它有三个部分:

空的飞行器重16.5万磅。外部燃料箱空着重78,100磅。两个固体火箭助推器空时各重18.5万磅。然后你就得加油了。每个SRB装有110万磅燃料。外部燃料箱装有14.3万加仑的液氧(135.9万磅)和38.3万加仑的液氢(22.6万磅)。整个飞行器——航天飞机、外部燃料箱、固体火箭助推器外壳和所有燃料——发射时总重量为440万磅。440万磅和将16.5万磅送入轨道是一个相当大的差距!公平地说，轨道飞行器也可以携带65000磅的有效载荷(最大尺寸为15 x 60英尺)，但这仍然是一个很大的区别。燃料的重量几乎是轨道飞行器的20倍[来源:航天飞机操作手册]。

所有燃料都以大约6000英里每小时的速度从航天飞机后部被抛出(化学火箭的典型排气速度在5000到10000英里每小时之间)。srb燃烧大约两分钟，在发射时产生大约330万磅的推力(燃烧期间平均265万磅)。三个主发动机(使用外部燃料箱中的燃料)燃烧大约8分钟，每个发动机在燃烧过程中产生37.5万磅的推力。

在下一节中，我们将研究固体燃料火箭中的特定燃料混合物。

固体燃料火箭发动机是人类发明的第一个发动机。它们是几百年前在中国发明的，从那时起就被广泛使用。国歌(写于19世纪早期)中关于“火箭的红色光芒”的那句话是在谈论用于投递的小型军用固体燃料火箭炸弹或者纵火装置。所以你可以看到火箭已经使用了很长一段时间。

简单的固体燃料火箭背后的想法很简单。你要做的是创造一种能快速燃烧但不会爆炸的东西。你可能知道，火药会爆炸。火药由75%的硝酸盐，15%的碳和10%的硫组成。在火箭发动机中，你不希望爆炸——你希望在一段时间内更均匀地释放能量。因此，你可以将混合物改为72%的硝酸盐，24%的碳和4%的硫。在这种情况下，你得到的不是火药，而是一种简单的火箭燃料。这种混合物燃烧得很快，但如果装载得当，不会爆炸。这是一个典型的横截面:

左边是点火前的火箭。固体燃料用绿色表示。18新利最新登入它是圆柱形的，中间钻了一根管子。当你点燃燃料时，它会沿着管壁燃烧。当它燃烧时，它向外向外壳燃烧，直到所有燃料都燃烧完。在小型火箭发动机模型或小型瓶子火箭中，燃烧可能持续一秒钟或更短。在装有超过一百万磅燃料的航天飞机SRB中，燃烧大约持续两分钟。

当你读到先进的固体燃料火箭时，比如航天飞机的固体火箭助推器，你经常会读到这样的东西:

这一段不仅讨论了燃料混合物，而且还讨论了在燃料中心钻孔的通道的配置。一个“11点星形穿孔”可能看起来像这样:

这个想法是增加通道的表面积，从而增加燃烧面积，从而增加推力。随着燃料的燃烧，形状逐渐变圆。在srb的例子中，它给了发动机高的初始推力在飞行过程中降低了推力。

固体燃料火箭发动机有三个重要的优点:

它们也有两个缺点:

这些缺点意味着固体燃料火箭适用于寿命较短的任务(比如导弹)，或用于升压系统。当你需要能够控制引擎时，你必须使用液体推进系统。接下来我们将了解这些和其他可能性。

1926年，罗伯特·戈达德测试了第一个液体推进剂火箭发动机。他的引擎坏了汽油还有液氧。他还研究并解决了火箭发动机设计中的一些基本问题，包括泵送机构、冷却策略和转向安排。这些问题是液体推进剂火箭如此复杂的原因。

基本思想很简单。在大多数液体火箭发动机中，燃料和氧化剂(例如汽油和液氧)被泵入燃烧室。在那里，它们燃烧产生高压和高速的热气体流。这些气体通过喷嘴进一步加速(典型的出口速度为5000到10000英里/小时)，然后离开发动机。以下高度简化的图表向您展示了基本组件。18新利最新登入

这张图并没有显示典型引擎的实际复杂性(请参阅页18新利最新登入面底部的一些链接，以获得真实引擎的良好图像和描述)。例如，燃料或氧化剂是液态氢或液氧等冷液化气是正常的。液体火箭发动机的一个大问题是冷却燃烧室和喷嘴，因此低温液体首先在过热部件周围循环以冷却它们。泵必须产生极高的压力，以克服燃烧燃料在燃烧室中产生的压力。航天飞机的主发动机实际上使用两个泵级，燃烧燃料来驱动第二级泵。所有这些泵送和冷却使一个典型的液体推进剂发动机看起来更像一个失控的管道工程——看看这些发动机这个页面来理解我的意思。

液体推进剂火箭发动机使用各种燃料组合。例如:

我们习惯于看到化学火箭发动机燃烧燃料来产生推力。然而，还有许多其他产生推力的方法。18新利最新登入任何有质量的系统都可以。如果你能找到一种方法将棒球加速到极高的速度，你就有了一个可行的火箭发动机。这种方法唯一的问题是棒球的“废气”(高速棒球)在太空中流动。这个小问题使得火箭发动机设计者更倾向于使用气体作为排气产品。

许多火箭发动机都很小。例如，态度推进器卫星不需要产生太多推力。在卫星上发现的一种常见发动机设计完全不使用“燃料”加压氮气推进器简单地把氮气从罐子里通过喷嘴吹出来。这样的推进器使太空实验室保持在轨道上，也用于航天飞机的载人机动系统。

新的发动机设计正在努力寻找加速的方法离子或原子粒子以极高的速度更有效地产生推力。美国宇航局的深空1号航天器是第一个使用离子发动机推进的航天器[来源:SPACE.com］．有关等离子体和离子发动机的其他讨论，请参阅本页。

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