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液体火箭发动机

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液體火箭發動機英语Liquid Propellant Rocket Engine,縮寫:LPRE)是指採用液態燃料氧化劑作爲推進劑化學火箭發動機。推進劑在壓力的作用下從推進劑貯箱英语Propellant tank注入燃燒室英语Combustion chamber,經霧化、混合和燃燒生成高溫燃氣,再通過拉伐爾噴管加速至超聲速排出,從而產生推力。液體火箭發動機的使用歷史早於固體火箭發動機二次世界大戰時期被短暫的作為飛機的推力來源,同時也是目前大型火箭最常使用的發動機。

聯盟號系列運載火箭的液態發動機

歷史[编辑]

早期開創性成果[编辑]

康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基俄语Константин Эдуардович Циолковский)、羅伯特·戈達德英语Robert Hutchings Goddard)和赫爾曼·奧伯特德语Hermann Julius Oberth)被公認爲是現代火箭學之父[1][2][3],他們在同一時期各自獨立進行著現代火箭的早期研究工作。

1903年,俄羅斯蘇聯教師康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基發表了一篇題爲《利用反作用力設施探索宇宙空間》(俄语Исследование мировых пространств реактивными приборами)的文章[4]。這篇文章是第一部提出利用液體火箭發動機進行航天活動的著作。齊奧爾科夫斯基提出的液體火箭發動機概念包含了現代液體火箭發動機的關鍵要素,如燃燒室、噴管和推進劑貯箱等。他推導出了地球逃逸速度火箭方程,還提出了多級火箭設想,但並未實際建造和發射火箭[5]

1926年美国教授羅伯特·戈達德試射首枚液體燃料火箭

美國克拉克大學英语Clark University教授羅伯特·戈達德在1914年就申請了關於液體燃料火箭裝置的專利[2][6],並且在1919年發表了關於火箭飛行的數學理論的著作《到達極高空的方法》(英语A Method of Reaching Extreme Altitudes[7]。在1921年至1925年期間,戈達德進行了液體火箭發動機地面靜態試驗[8]。1926年3月16日,戈達德在馬薩諸塞州奧本成功發射了歷史上首枚液體燃料火箭[2][註 1]。這枚火箭被稱為“尼爾(英语Nell)”,採用液氧汽油作爲推進劑,僅飛行了41英尺高、185英尺遠,歷時2.5秒[9]。戈達德在液體燃料火箭的研究上取得了很多開創性成果。但由於戈達德在世期間不太願意發表和透露他的液體火箭發動機的設計細節、試驗數據等有用信息,因此實際上他的研究成果並未對美國的液體燃料火箭發展產生很大影響[8]

1923年,德國科學家赫爾曼·奧伯特發表了題為《飛向星際空間的火箭》(德语Die Rakete zu den Planetenräumen)的著作[9]。1929年,奧伯特修訂了這本書,增加了更多細節,名為《通向航天之路》(德语Wege zur Raumschiffahrt[9],該書由於其重要的科學價值而得到國際上的認可。20世紀30年代,奧伯特建造並試驗了他的概念性的液體火箭發動機。他的第一枚火箭於1931年5月7日在德國柏林附近發射[3]

德國(二戰時期)[编辑]

1927年,德國的一群業餘火箭研究者成立了德國空間旅行學會英语Verein für Raumschiffahrt德语Verein für Raumschiffahrt,縮寫:VfR)[9],奧伯特也是其成員之一。

V-2火箭發動機
在佩內明德發射的V-2火箭(1943年)

20世紀30年代初,德國陸軍裝備部英语Heereswaffenamt開始籌建官方的火箭研究組織,隨後陸軍軍官瓦爾特·多恩伯格德语Walter Robert Dornberger)組建了由德國火箭專家馮·布勞恩德语Wernher von Braun)領導的火箭研究小組,在柏林南郊的庫默斯多夫英语Kummersdorf研究和試驗遠程火箭[10]。1933年至1941年期間,他們相繼設計和試製的實驗火箭包括A-1火箭英语Aggregate (rocket family)#A1A-2火箭英语Aggregate (rocket family)#A2A-3火箭英语Aggregate (rocket family)#A3A-5火箭英语Aggregate (rocket family)#A5[10]。1936年初,多恩伯格和馮·布勞恩等人開始考慮研製大型實用化的A-4火箭英语Aggregate (rocket family)#A4。1936年8月,德國在波羅的海沿岸的佩內明德開始建設龐大的火箭研究基地[11]。德國火箭專家瓦爾特·泰爾英语Walter Thiel德语Walter Thiel)負責研製A-4火箭的發動機,他的主要工作包括燃料的優化和發動機的研發[11][12]。1942年10月3日,A-4火箭在佩內明德試驗發射成功。1944年,A-4火箭被正式命名為V-2火箭,是第二次世界大戰中著名的彈道導彈。V-2火箭的發動機採用液氧和酒精作為推進劑,兩者以一定比例通過管綫引入燃燒室點火;引入了推進劑泵壓式加壓輸送循環,由高錳酸鈉催化雙氧水分解生成的高溫氣流來驅動泵[13]。許多大型現代液體火箭發動機的原型都可以追溯到V-2火箭發動機[9]。1945年,二戰結束,馮·布勞恩和他的火箭團隊向美軍投降,相關技術報告和圖紙以及V-2火箭一起被運送到美國[9],而蘇聯也得到了V-2火箭的部件和設備[10]。V-2火箭對美國和蘇聯的火箭技術發展起到了巨大的推動作用。

美國[编辑]

1930年,一群以科幻小說作家為主的愛好者成立了美國火箭學會英语American Rocket Society英语American Rocket Society,縮寫:ARS)[14][註 2]。隨後美國火箭學會開展了火箭的設計和實驗工作,同時成員人數不斷發展壯大。

1936年,美國加州理工學院的空氣動力學家西奧多·馮·卡門英语Theodore von Kármán)領導的古根海姆航空實驗室英语Guggenheim Aeronautical Laboratory英语Guggenheim Aeronautical Laboratory,縮寫:GALCIT)開始液體火箭相關研究工作,包括不同推進劑的性能研究以及試驗性推力室的設計和測試[8]

自20世紀40年代起,多家美國公司陸續參與了液體火箭發動機的研制。1941年,美國火箭學會的四位成員成立了美國第一家液體火箭公司,Reaction Motors公司英语Reaction Motors Inc.(縮寫:RMI)[14]。Reaction Motors公司設計的最有名的發動機是為貝爾X-1飛機提供動力的RMI 6000C-4發動機[15]。RMI 6000C-4發動機有四個推力室,總推力達6000磅力(27 kN),採用液氧和酒精作為推進劑。該發動機的改進版還被用在道格拉斯D-558-2英语Douglas D-558-2 Skyrocket北美X-15等飛行器上[8]

成立於1942年的噴氣飛機公司英语Aerojet)是第二家研製火箭發動機的美國公司[8],馮·卡門是它的第一任總裁[16]。噴氣飛機公司研製了很多液體火箭發動機,從小推力器到大發動機,同時還有很多固體火箭助推器。噴氣飛機公司為很多軍用飛機(A-20轟炸機F-84戰鬥轟炸機英语Republic F-84 ThunderjetPB2Y-3飛行艇英语Consolidated PB2Y Coronado# VariantsB-29轟炸機B-45轟炸機英语B-45 TornadoB-47轟炸機等)等)研發了一些列噴氣輔助起飛英语JATO液體燃料推力裝置[8],還為波馬克導彈(IM-99A)研發了液體火箭助推器[17]。噴氣飛機公司最有名的大型液體火箭發動機是為大力神系列運載火箭設計的助推器[8],如LR-87發動機英语LR-87

蘇聯和俄羅斯[编辑]

齐奥尔科夫斯基之后,1919年年轻的技术人员尼古拉·季霍米罗夫致信列宁,要求成立专门的火箭研究机构。1921年成了喷射推进实验室。1928年改名为燃气动力学实验室。1931年,瓦伦京·佩特罗维奇·格鲁什科担任实验室主任,领导的设计局从事火箭研究。1931年成立了反作用发动机研究组(GIRD),1932年谢尔盖·帕夫洛维奇·科罗廖夫担任组长。同年,位于列宁格勒的气动力学实验室与位于莫斯科的反作用发动机研究组合并为反作用推进研究院(RNII)。最为著名的产品是喀秋莎火箭炮。但格鲁什科设计局的工作重点是作为歼击机辅助动力的助飞火箭,如RD-1、RD-2、RD-3火箭发动机。

其他國家[编辑]

基本组成[编辑]

液態火箭發動機主要推力室、推進劑供給系統和控制系統組成。

推力室[编辑]

推力室產生推動火箭所需的推力。推力室主要由噴嘴、燃燒室和噴管組成。液態推進劑由噴嘴注入推力室,經霧化、混合、燃燒生成燃燒產物,通過噴管高速排出產生推力。

按照冷却方式:

  • 薄膜冷却:在推力室与喷管内壁上形成一层气膜或液膜,阻止高温燃气向壁面传热。
  • 发汗冷却:多孔材料表面渗出冷却剂。由于碳氢燃料的积碳,这种方式仅适用于氢氧机。
  • 烧蚀冷却:多用于固体火箭。液体火箭也有在喷管延伸部采取这种方式的,如RS-68
  • 辐射冷却:适用于热流密度中等的部件,如喷管延伸段、燃气发生器等。
  • 再生冷却:利用推进剂作为介质的对流冷却。

推進劑增压输送系統[编辑]

推進劑增压输送系統按要求的流量和壓力向燃燒室供給推進劑。按輸送方式不同,有擠壓式和泵壓式兩類供給系統。擠壓式供給系統利用高壓氣體經減壓器減壓後分別進入燃料和氧化劑的貯箱,將其擠壓至燃燒室。泵壓式則使用液壓泵輸送推進劑。

按循环方式可分为:

  • 挤压式循环:分为:外部工质的增压,如液氮、液氦;自生增压,如液氧。
    • 贮存气体增压
      • 常温高压贮存
      • 低温高压贮存
      • 低温低压液态贮存:亚临界液氮与超临界液氦
    • 自生增压
    • 生成物增压
    • 多变膨胀增压
    • 多变膨胀增压:或称下吹或落压式增压

按涡轮与推进剂泵的传动布局分类:

  • 直接驱动:两泵背靠背,涡轮居中,安在同一根传动轴上。缺点是两泵过近,要重点防范推进剂泄漏爆炸问题
  • 齿轮传动
    • 涡轮中置
    • 涡轮偏置
    • 单泵齿轮传动:涡轮直接驱动一个主泵,另外一个主泵靠齿轮减速传动
  • 双轴传动:当燃料与氧化剂密度悬殊时,可以设两个燃气发生器或单个燃气发生器但燃气分流引向两个涡轮。又可分为涡轮串联与涡轮并联。

控制系統[编辑]

發動機的點火、操控和關機通常由火箭的電子設備系統或發動機控制器完成。一般採用一系列閥門來控制發動機的推進劑混合比例和推力大小,這些閥門通過接受從火箭或發動機控制單元發出的指令信號以氣壓、水壓或電動接觸的方式來控制。

燃料類型與特性[编辑]

理論上任何能夠以液態儲存,與氧化劑混合下足以產生快速或者是爆炸性燃燒的化學物質都可以做為液態火箭發動機的燃料來源。譬如說美國太空梭的主推進火箭發動機是使用液態氫做為燃料,液態氧做為氧化劑。以下描述燃料的時候是將氧化劑一起合併說明。

常見的液態火箭燃料可以概略區分為需要特殊裝置儲存,或者是能夠在火箭燃料箱裡面保存一段時間兩類。需要特殊裝置的燃料像是上述的液態氫和液態氧,它們需要加壓和冷卻設備,在燃燒前保持在液體的狀態下。這一類的液態火箭燃料多半是在發射前才會輸入到火箭的燃料槽當中。

另外一類燃料是在一般環境下就是以液態存在,不需要另外的設備維持。早期這一類的燃料的腐蝕性很高,即使可以放在火箭的燃料箱裡面,也無法長年的儲放,因此也是在需要的時候才輸入火箭的燃料箱當中,假如等待時間過長,還是需要將燃料抽出,檢查發動機和燃料槽與相關的管線,必要的時候還可能需要清理或者是更換。而在處理或者是運輸的過程當中,週遭人員都必須穿戴防護衣服,假如與人體直接接觸,很可能會有致命的危險。德國在二次大戰時期使用的Me 163火箭攔截機曾經發生過液態燃料流入駕駛艙,將飛行員溶解的意外。[來源請求]

後期的液態燃料轉向於簡化儲存和使用上的手續和措施。這些燃料能夠在火箭燃料槽儲存較長的時間,腐蝕性較低,火箭發射前的準備時間較短,反應較為迅速。不過這種燃料的儲存年限仍是一定的,只是大幅延長。譬如蘇聯在他們第三代的彈道飛彈使用的液態燃料上,能夠在燃料槽當中儲存7年而不必經常抽出檢查。

特點[编辑]

  • 液態火箭發動機的比衝普遍優於固態火箭發動機。
  • 一些液態火箭發動機可以間歇性的使用,固態火箭發動機很難分段使用。
  • 液態火箭發動機需要有相關的管線與加壓設備,相對於固態火箭發動機複雜許多。
  • 液態火箭燃料的腐蝕性使得在燃料槽當中儲存的時間較短,需要定期更換與檢查。
  • 有些液体燃料会止不住泄露(比如液氢),不能保存太长时间。

應用[编辑]

液體火箭發動機應用廣泛,主要用作[18]

註釋[编辑]

  1. ^ 1927年,秘魯科學家佩德罗·保莱特英语Pedro Paulet英语Pedro Paulet Mostajo)在報紙上聲稱,其早在1895年就開始進行液體燃料火箭的設計與試驗但一直未公開發表,此說法由於缺乏實質性的證據而未獲得普遍承認,因此通常認為第一枚液體燃料火箭是由戈達德發射的。
  2. ^ 原名為美國星際學會(英语American Interplanetary Society,縮寫:AIS),是於1934年更名的。

參考文獻[编辑]

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  4. ^ A. Kosmodemyansky; X. Danko. Konstantin Tsiolkovsky: his life and work. Honolulu, Hawaii: University Press of the Pacific. 2000. ISBN 978-0-89875-138-3 (英文). 
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  6. ^ 专利 US1103503 - Rocket Apparatus. Google 专利 (英文). 
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  11. ^ 11.0 11.1 Michael J. Neufeld. The Rocket and the Reich: Peenemünde and the Coming of the Ballistic Missle Era. Cambridge, MA: Harvard University Press. 1996-03-01. ISBN 978-0674776500 (英文). 
  12. ^ Research Results - Walter Thiel - rocket engineer, rocket pioneer (英文). 
  13. ^ Gregory P. Kennedy. Vengeance Weapon 2: The V-2 Guided Missile. Washington DC: Smithsonian Institution Press. 1984. ISBN 978-0874745733 (英文). 
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  15. ^ Frank H. Winter. “Black Betsy”: The 6000C-4 rocket engine, 1945–1989. Part I. Acta Astronautica (Elsevier). 1994, 32 (4): 283–303 (英文). 
  16. ^ Company History - Aerojet Rocketdyne. Aerojet Rocketdyne (英文). 
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