液体火箭发动机_500吨!我国火箭发动机重大突破!固体与液体发动机有何区别?

时间:2022/7/4 0:00:00

前几天,国家航天科技集团对外宣布,500吨推力的一体式固体燃料火箭发动机试车成功!

500吨!我国火箭发动机重大突破!固体与液体发动机有何区别?

人们在纷纷庆贺的同时,想必也会有两个疑问:

1、500吨推力的火箭发动机在世界火箭发动机的朋友圈中是什么水平?

2、固态燃料火箭发动机跟液态燃料火箭发动机孰优孰劣呢?

大O作为一个航天迷,以液态燃料和固态燃料两个维度,收集了全球知名火箭发动机的纯推力排行榜,相信各位在看完这份榜单之后,应该对咱们此次试车成功的500吨推力的发动机,给出一个较为明确与客观的定位。

固态发动机推力榜单

1、美国正在研发的SLS(太空发射系统)的侧助推器,推力在1600吨左右。

2、美国已退役的航天飞机的侧助推器,推力在1400吨左右。

3、欧洲航天局阿丽亚娜火箭的侧助推器,推力在700吨左右。

4、印度PSLV火箭的侧助推器,推力在500吨左右。

500吨!我国火箭发动机重大突破!固体与液体发动机有何区别?

有了这四个参考对象,如果以纯推力进行定位,咱们此次试车成功的一体式固态火箭发动机,其推力在世界现役固态火箭发动机中应该排名第二,仅欧洲阿丽亚娜火箭的侧助推器略胜我们一筹。

液态发动机推力榜单

1、美国退役已久的土星5号的F1火箭发动机的推力依然傲视全球,达到了惊人的900吨左右。

2、俄罗斯正在研发的联盟5号火箭所采用的基于RD-171升级的火箭发动机的推力也不遑多让,达到了800吨左右。

3、我国目前正在为长征9号研制的YF-130发动机,推力也可以达到500吨左右。

4、美国宇宙神5号正在使用的俄罗斯提供的RD-180发动机,推力在420吨左右。

5、马斯克的星舰所采用的猛禽发动机,目前实测得到的最大推力在225吨左右。

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从上述两份榜单中可以明确得知,无论固态火箭发动机还是液态火箭发动机,我国的综合实力稳居全球三强,欧洲在固态发动机方面略微胜出,俄罗斯在液态发动机方面略微胜出,美国当前的综合实力依然是最强的。其实大O一直秉承着争辩雌雄并无实际意义的理念,因为发展才是永恒的硬道理,所以我们国家目前在固态、液态火箭发动机双管齐下的发展态势,会继续稳固我们在未来航天科技领域中的领导地位!

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此时喜欢深思的朋友可能会发问了,虽然通过固态与液态的名称可以大致猜测出二者使用的燃料状态不同,那除了这些还有什么其它不同吗?亦或是二者哪个更强一些呢?大O提前可以先给大家总结一下,那就是二者提供动力的原理是一致的,都是基于牛顿第三定律,二者也没有所谓的谁强谁弱,只是适用场景略有不同。

动力原理

喜欢骑自行车的朋友应该都玩过这个游戏,那就是看谁骑的慢,在自行车速度很慢的情况下,有些人为了能够让它再前行一点,他会猛地让自己的上半身向后移动,而此时,自行车也确实向前移动了一些,但当他的上半身在快速恢复到正常姿态时,自行车又会向后移动一些,没错,牛顿第三定律所讲的就是这种现象,人的上半身跟自行车通过下半身相互作用在一起,当身体驱动上半身向后移动时,自行车会受到大小相等方向向前的反作用力,于是车轮在克服了地面阻力之后会向前移动一点点。

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火箭其实也是借助的这个原理来产生动力的,相互作用的两个物体一个是整体的火箭,另一个是发动机喷嘴中排出的高温高压的废气,发动机逼迫着废气向下移动,火箭整体受到废气向上的反作用力,于是火箭就飞起来了。

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此时,核心点就来了,产生这股废气的方式,决定了火箭的类型,如果通过固体燃料的燃烧来产生废气,那么这个发动机就是固态火箭发动机,同理如果通过液体燃料的燃烧来来产生废气,那么这个发动机就是液态火箭发动机。

固态发动机

固态“发动机”最早出现在几百年前的中国,我们现在每逢过节过年也可以看到,那就是飞天的烟花,在老祖宗这门手艺的熏陶下,我们现在掌握了大推力一体式固态发动机技术那就是顺理成章的事情。固态发动机的形态一般就是一个又长又厚的金属管跟一个喷嘴的组合,在金属管中放有提前准备好的固态燃料,固态燃料一般是氧化剂、燃料、催化剂、粘合剂、固化剂按某种比例组成的混合物,比如美国航天飞机的SRB发动机,它的燃料是由69.6%的高氯酸铵(氧化剂)、16%的铝(燃料)、0.4%的氧化铁(催化剂)以及一些粘合剂和固化剂组成的。

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另外固态燃料在金属管中并不是实心填充的,一般情况下固态燃料会沿着金属管壁围绕排放,并在金属管的中心处留有一些缺口,这样可以增加固态燃料的燃烧面积,提高废气生成量进而提高发动机的推力,所以,固态燃料在金属管中的布局,决定了固态燃料的燃烧时间与整体推力,这里还是以美国航天发机的SRB发动机为例,它的固体燃料被分成了几前,其中第一段也就是最靠近喷嘴的那一段的内空心横截面被做成了一个11角形,后面的几段的空心横截面都是半径由大而小的圆,也就是这几段都好像被一个圆锥穿透过一样,SRB发动机为何如此设计其固体燃料的结构呢?

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很明显,11角形的横截面相较于圆形的横截面可以大大提高固体燃料在纵向上暴露出来的表面积,上面已经提及,固体燃料在同一时刻能够燃烧的表面积越大,那么它产生的废气也就越多,那么发动机能够受到的推力也就越大,所以SRB将第一段燃料的横截面设计成11角形,就是为了在航天飞机刚起飞时,给它来一股猛劲!后续约50秒之后,航天飞机不再需要那么大的推力时,第一段11角形的固体燃料也燃烧完了,紧随其后的圆锥形空心燃料也就该出场了,以相对较小的推力,继续协助航天飞机爬升。

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此时,想必大家应该已经基本了解了固体火箭发动机的工作原理,如果您还稍微了解液体火箭发动机的工作原理您就会发现,二者在原理上没有本质的区别!

液态发动机

液态发动机在每次发射前都需要向火箭的燃料仓中添加燃料,目前在航天界常用的燃料组合有液态氢液态氧、液态甲烷与液态氧、航天级精炼煤油RP-1与液态氧的组合,比如我国的液态航天发动机多数为氢氧组合,俄罗斯的RD-180为RP-1与液态氧的组合,SpaceX及蓝色起源的发动机为液态甲烷与液态氧的组合,具体这些燃料组合的优缺点,大家可以看看我以前的相关视频,均有介绍。

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固态发动机的优缺点

相较于液态发动机,固态发动机有三个明显的优势,一是构造简单,二是成本低廉,三是安全性相对较高,但在这三个优点的光环下,固态发动机也有两个功能性的缺点,其一是固态发动机的动力不可控,其二是固态发动机一旦点火,想要关闭或重启发动机是极其困难的。关于第一点,在大O看来,航天飞机的SRB发动机就是一个典型的例子,想要获得合适的动力,其只能在固态燃料的空心结构上做文章,暴露的燃烧面积越大,动力越高,而燃烧时间相应的也会变短,反之亦然,固态发动机一旦点火,固体燃料活跃的燃烧反应很难被终止,它也就变成了一锤子买卖,所以固体火箭发动机是无法承载火箭回收任务的。

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如果用一句话来概括固体火箭发动机的特征,其实就是两个词:

高动力性价比、通常一锤子买卖。

液态发动机的优缺点

凡事都有正反面,既然世界上同时存在固体发动机和液体发动机,二者肯定是互补的,于是固体发动机的优点也就变成了液体发动机的缺点,固体发动机的缺点也就变成了液态发动机的优点。随便看一张液体发动机的图片,你就会发现其管线密密麻麻,所以液体发动机的复杂度是远远高于固体发动机的,设计的复杂性会拉高发动机的制造成本与安全隐患,但工程师之所以还要这么做,其核心目的正是为了弥补固体发动机的两个缺点,也就是液体发动机搭载了类似于汽车的油门系统,计算机可以通过这个系统实时控制液体发动机的燃油量,进而控制发动机的动力输出,飞行过程关闭或重启发动机也就很好实现了,这就可以满足二级火箭变轨或一级火箭回收的业务需求。

500吨!我国火箭发动机重大突破!固体与液体发动机有何区别?

至于推力上,从上面的榜单中可以明显看出,固体发动机的猛劲更胜一筹,所以固体发动机多用在火箭的侧助推器上,而液体发动机则常用于火箭的芯级助推器或二级火箭上,可以说固体发动机体现了一个“勇”字,液体发动机体现了一个“谋”字,正可谓有勇有谋!

发动机的未来

朋友们常说化学火箭无法帮助人类走入深空,事实确实如此,那核动力火箭呢?其实在大O看来,核动力火箭仅能提高火箭的动力持久性,其实你只要考虑一下核动力航母相较于常规动力航天的优势就能明白了,要么通过核能产生热量去蒸发物质产生气体,要么是通过核能产生电量去电解物质来产生气体,但这个气体终要有所源,用什么东西更合适呢?

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好啦,我是你们的老朋友大O,如果觉得我的内容对你有朋友,就点个赞顺便关注一下吧~

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