火箭.doc

火箭常用的液体氧化剂有液态氧、四氧化二氮等, 燃烧剂由液氢、偏二甲肼、煤油等。现代液体燃料火箭是美国人戈达德搞出来的:第一个是采用液氧-煤油。发射卫星的火箭燃料要体积小, 重量轻, 但发出的热量要大, 这样才能减轻火箭的重量, 使卫星快速地送上轨道。液体燃料放出的能量大, 产生的推力也大; 而且这种燃料比较容易控制, 燃烧时间较长, 因此, 发射卫星的火箭大都采用液体燃料。液体火箭发动机是指液体推进剂的化学火箭发动机。氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中。液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件。它由推进剂喷嘴、燃烧室、喷管组件等组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室, 经雾化, 蒸发, 混合和燃烧等过成生成燃烧产物, 以高速( 25O0 一 5000 米/秒) 从喷管中冲出而产生推力。燃烧室内压力可达 2O0 大气压(约 20OMPa )、温度 300O ~ 400O ℃, 故需要冷却。推进剂供应系统的功用是按要求的流量和压力向燃烧室输送推进剂。按输送方式不同, 有挤压式( 气压式) 和泵压式两类供应系统。挤压式供应系统是利用高压气体经减压器减压后(氧化剂、燃烧剂的流量是靠减压器调定的压力控制) 进入氧化剂、燃烧剂贮箱, 将其分别挤压到燃烧室中。挤压式供应系统只用于小推力发动机。大推力发动机则用泵压式供应系统,这种系统是用液压泵输送推进剂。发动机控制系统的功用是对发动机的工作程序和工作参数进行调节和控制。工作程序包括发动机起动、工作。关机三个阶段, 这一过程是按预定程序自动进行的。工作参数主要指推力大小、推进剂的混合比。液体火箭发动机的优点是比冲高( 25O ~ 5OO 秒),推力范围大(单台推力在 1 克力~ 700 吨力)、能反复起动、能控制推力大小、工作时间较长等。液体火箭的推进剂,其中比较常用的有:四氧化二氮- 肼类(偏二甲肼,一***肼,肼),液氧- 煤油,液氢- 液氧等。随着火箭时代的来临, 液化气体的位置一下就提升到新的吸引人的高度。火箭需要极端快速的化学反应来产生巨大的能量, 最方便的燃料形式就是液态的易燃混合物, 例如酒精或煤油和液态氧。氧或某种可取代氧的氧化剂, 必须在任何情况下皆能被火箭携带, 因为当火箭一离开大气层时, 就再也得不到天然氧气的供给了。而且携带的氧必须是液态, 这是因为液态比气态密度大, 而且液态氧压人燃料槽的量比气态的多。于是液态氧已成为火箭上十分重要的东西。燃料和氧化剂混合物的效率由比冲量来量度。比冲量就是火箭发动机的推力( 公斤力) 与其喷出质点每秒重量流量( 公斤/秒) 的比值。对于煤油和氧的混合物, 其比冲量等于 242 。因为火箭可携带的有效负载取决于比冲量, 所以人们渴望寻找最佳燃料组成。从这一观点看, 最佳液态燃料是液态氢。与液态氧混合, 它可以产生大约等于 350 的比冲量。如果液态臭氧或液态***用以代替氧, 那么比冲量可提高到大约 370 。某些轻金属,例如锂、硼、镁、铝,尤其是铍,它们与氧结合,可释放出比氢更多的能量。但是, 其中一些金属是稀少的, 并在燃烧时都包含有技术的困难——冒烟、氧化物沉积等等。还有起自身氧化剂作用的固态燃料(像***是第一种火箭推进燃料, 但更加有效)。因为它们不需要分开供应氧化剂, 而仅需要由一种推进燃料来组成, 这种燃料称为单推进燃料。还需要氧化剂的燃料是双推进燃料。革推进燃料容易储存与掌握,燃烧快速但可控制。主要困难可能在于如何发展单推进燃料,使其比冲量接近双推进燃料。另一种可能就是使用朗缪尔在他的喷灯中用过的原子氢; 已经计算出氢原子再结合成分子所放出的能量, 可使火箭发动机产生超过 130 0 的比冲量。主要的问题是如何储存原子氢, 到目前最有可能的希望似乎是在氢的自由原子形成之后,马上给予极快速、极彻底的冷却。美国国家标准局的研究似乎指出, 如果在极低温度下, 把自由氢原子俘获在固态物质——比方冻结的氧或氩中,那样最好保存。比方说,如果我们一推按钮, 就能让冻结的气体开始变热而蒸发, 那么氢原子会释放出来重新结合。即使这类固体所能囚锢的自由氢原子仅占其重量的 10%, 这种燃料也将比现在我们所有的任何一种燃料都好。但是, 温度当然必须确实很低——远比液态氢的温度低。这些固体需要保持在一 272 ℃左右,仅仅比绝对零度高 1 度。在另一方面, 完全存在着驱动离子向后的可能性( 而不是燃烧燃料的排出气体)。微小质量的单个离子将产生极小的冲量, 但可持续很长时期。借助化学燃料的强烈而短寿命的力先将飞船送入轨道, 然后在实质上并无摩擦力的空间介质中,飞船在离子长时期冲击的推动下。缓慢加速到近于光速的速度。研究这种离子驱动最好的物质是铯, 它很容易失掉电子而形成铯离子。于是可以