[科普中國(guó)]-火箭推進(jìn)

與引擎的設(shè)計(jì)原理類(lèi)似，火箭推進(jìn)器的管道排出氣體來(lái)推進(jìn)太空船以完成航程的各個(gè)階段。在開(kāi)始階段，外部的推進(jìn)火箭提供燃料給火箭推進(jìn)器，直到燃料用盡時(shí)就拋棄。在那之后，強(qiáng)力的電磁體會(huì)進(jìn)入火箭推進(jìn)器來(lái)加速離子的激烈反應(yīng)并達(dá)到近乎光速的速度，這提供了太空船絕大部份的推力。最后，在航程的最后一階段，推進(jìn)器負(fù)責(zé)了調(diào)整太空船進(jìn)入行星引力圈，提供反向推進(jìn)力來(lái)緩和速度讓太空船能安然步入與行星同步的軌道。為了達(dá)到這所有的功能，推進(jìn)器組必須具備有高能量離子加速的高度感應(yīng)能力，也要能夠掌控由固態(tài)燃料推進(jìn)器所產(chǎn)生的數(shù)十萬(wàn)磅的推力。設(shè)計(jì)火箭推進(jìn)器的工程師要能完成因太空船質(zhì)量與重力加速度原理所需要功能才行。

我國(guó)使用推進(jìn)器主要是以液體火箭推進(jìn)器為主，液體火箭推進(jìn)器以偏二甲肼（C2H8N2）作為主要燃料，相比固體火箭推進(jìn)器便宜且安全。

運(yùn)載火箭是用煤油、酒精、偏二甲肼、液態(tài)氫等作為燃燒劑，而用硝酸、液態(tài)氮等提供的氧化劑幫助燃燒的，人們習(xí)慣上把燃燒劑和氧化劑通稱(chēng)為火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃料或推進(jìn)劑。

從物理形態(tài)上講，火箭發(fā)動(dòng)機(jī)使用的推進(jìn)劑有兩種形式，一種是液態(tài)物質(zhì)，另一種是固態(tài)物質(zhì)。燃燒劑和氧化劑都是呈液體形態(tài)的發(fā)動(dòng)機(jī)則稱(chēng)為液體燃料發(fā)動(dòng)機(jī)，或稱(chēng)為液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；兩者都是呈固體狀態(tài)，則稱(chēng)為固體燃料火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)；如果在兩種燃料中，一種為固體，一種為液體，則稱(chēng)為固-液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)或直接稱(chēng)其物質(zhì)名稱(chēng)的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，如氫氧火箭發(fā)動(dòng)機(jī)。

由于固態(tài)燃燒劑產(chǎn)生的能量比液體燃燒劑發(fā)出的能量高，所以，目前研制的火箭發(fā)動(dòng)機(jī)多是固-液火箭發(fā)動(dòng)機(jī)，兩種燃料相遇燃燒，形成高溫高壓氣體，氣體從噴口噴出，產(chǎn)生巨大推力而把運(yùn)載火箭送上了太空。

目前，小型火箭多為固體推進(jìn)系統(tǒng)，其主要出發(fā)點(diǎn)是成本低和機(jī)動(dòng)性好，特別是成本。70-80年代美國(guó)曾對(duì)固、液兩種系統(tǒng)反復(fù)進(jìn)行比較，結(jié)論是二者可靠性相當(dāng)，而成本以固體系統(tǒng)為優(yōu)。因而固體推進(jìn)系統(tǒng)成為小型系統(tǒng)的優(yōu)先選擇方案。2其技術(shù)特點(diǎn)如下：

（1）模塊化結(jié)構(gòu)

實(shí)現(xiàn)系列化的主要手段是模塊化結(jié)構(gòu)。通常是用幾種發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)不同方式的組合構(gòu)成各種不同運(yùn)載能力的型號(hào)，同一種發(fā)動(dòng)機(jī)在同一系列的不同型號(hào)或不同系列中應(yīng)用的情況十分普遍，使發(fā)動(dòng)機(jī)的應(yīng)用潛力得到了充分發(fā)揮，顯著地節(jié)省了研制經(jīng)費(fèi)。例如美國(guó)的大蓬車(chē)火箭除頂級(jí)外，其余各級(jí)都使用同一類(lèi)卡斯托-4發(fā)動(dòng)機(jī)，通過(guò)組合和捆綁形成5個(gè)型號(hào)，其助推器和芯級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)的區(qū)別僅在于噴管，上面級(jí)和下面級(jí)的區(qū)別在于發(fā)動(dòng)機(jī)長(zhǎng)度和噴管膨脹比不同；意大利的偵察兵-2情況與之極為相似，其助推器和芯級(jí)一、二級(jí)均為Zefiro發(fā)動(dòng)機(jī)。由于捆綁助推器數(shù)量不同（0,2,4臺(tái)）形成3 個(gè)型號(hào)；獨(dú)聯(lián)體的空間快車(chē)火箭采用SS-24導(dǎo)彈發(fā)動(dòng)機(jī)和兩種頂級(jí)，組成0234，0235，1234，1235，2234，2235六個(gè)型號(hào)，其中數(shù)字1、2、3 分別指采用SS-24 導(dǎo)彈的一、二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)，4、5 指兩種頂級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)；美國(guó)的飛馬座火箭和金牛座火箭有三個(gè)發(fā)動(dòng)機(jī)基本完全相同；日本M-352火箭，J-1 和M-5火箭的空中發(fā)射型，其二、三級(jí)發(fā)動(dòng)機(jī)也是相同的。2

（2）兼顧成本、性能和可靠性

高可靠性、低成本和高性能是對(duì)固體火箭的共性要求，但在不同應(yīng)用領(lǐng)域其重點(diǎn)各有所異。大型航天器首先要求高度可靠，美國(guó)“國(guó)家發(fā)射系統(tǒng)”對(duì)固體發(fā)動(dòng)機(jī)所提的可靠性指標(biāo)是0.99（95%置信度），在此前提下努力降低成本。小型運(yùn)載則特別強(qiáng)調(diào)低成本，在此基礎(chǔ)上兼顧可靠性和高性能。小型運(yùn)載用固體發(fā)動(dòng)機(jī)可靠性通常要求達(dá)到0.98和彈道導(dǎo)彈相近，其頂級(jí)通常也選用高性能發(fā)動(dòng)機(jī)，美、日、法、獨(dú)聯(lián)體還都研制了空中發(fā)射的小型運(yùn)載火箭，有效地提高了運(yùn)載能力。2

（3）極強(qiáng)的技術(shù)繼承性

研制小型運(yùn)載用固體發(fā)動(dòng)機(jī)最普遍使用的途徑是技術(shù)繼承，特別是繼承彈道導(dǎo)彈的成熟技術(shù)。這樣不僅可顯著地縮小研制規(guī)模、降低成本、縮短周期，還有效地保障了在高可靠性前提下提高性能。2

（1）主發(fā)動(dòng)機(jī)

空氣噴氣公司(Aerojet)的AJ26-58、AJ26-59和AJ26-60發(fā)動(dòng)機(jī)是用于K-1火箭的高性能液氧/煤油發(fā)動(dòng)機(jī)。這些發(fā)動(dòng)機(jī)通過(guò)大量的試車(chē)，證明了前蘇聯(lián)登月火箭的NK-33/NK-43發(fā)動(dòng)機(jī)的主要組件（高溫燃?xì)庀到y(tǒng)和渦輪泵組件）和空氣噴氣公司改進(jìn)的電子控制系統(tǒng)、點(diǎn)火系統(tǒng)、重復(fù)起動(dòng)系統(tǒng)、電動(dòng)閥和常平架等都是合格的。1

（2）推進(jìn)劑供應(yīng)管路

凱特曼公司（Ketema）負(fù)責(zé)供應(yīng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開(kāi)發(fā)、生產(chǎn)和檢驗(yàn)，空氣噴氣公司負(fù)責(zé)監(jiān)督工作。零組件采用現(xiàn)有的飛行產(chǎn)品及其改進(jìn)產(chǎn)品。貯箱到發(fā)動(dòng)機(jī)的供應(yīng)管路采用SSME常平架式因康鎳輕型結(jié)構(gòu)導(dǎo)管，泵前隔離閥、循環(huán)閥和充填排放閥由德?tīng)査―elat）的飛行產(chǎn)品改進(jìn)而成。首枚火箭的推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)已經(jīng)完成了90%。1

（3）推進(jìn)劑貯箱增壓系統(tǒng)

該系統(tǒng)用于主發(fā)動(dòng)機(jī)和軌道機(jī)動(dòng)器推進(jìn)劑貯箱的增壓。增壓用的常溫氮?dú)獗４嬖趬毫?1.37MPa的氣瓶中，氣瓶的外殼由鈦絲織成。增壓控制采用脈沖閥門(mén)，以便減輕重量和控制簡(jiǎn)單。為使操作方便，所有閥門(mén)和其他組件都按模塊化設(shè)計(jì)安裝在一起。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作己經(jīng)完成，并確定了控制程序，編織氣瓶外殼的鈦絲已經(jīng)制造完畢，編織技術(shù)己經(jīng)通過(guò)論證，其他所有組件均已完成。首枚火箭的組合件已經(jīng)完成80%。1

（4）一級(jí)姿態(tài)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)安裝在一級(jí)的前面，由四個(gè)相同的推力室模塊組成，每個(gè)模塊在三個(gè)軸線各有一臺(tái)推力為667N的推力室，推力室工質(zhì)為氮?dú)?，貯存在壓力為41.37MPa的氣瓶中，氣瓶的外殼由欽絲織成（與增壓氣體的氣瓶相同）。氮?dú)猱a(chǎn)生的總沖量為266.9N·秒。Pegasus設(shè)計(jì)的鋁質(zhì)推力室己經(jīng)得到飛行驗(yàn)證，為使操作方便，所有閥門(mén)和其他組件都按模塊化設(shè)計(jì)安裝在一起。該系統(tǒng)的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)完成，推力室模塊得到驗(yàn)證，編織氣瓶外殼的欽絲已經(jīng)制造完畢，編織技術(shù)已經(jīng)通過(guò)論證，其他所有組件均已完成。首枚火箭的組合件已經(jīng)完成80%。1

（5）軌道器姿態(tài)控制系統(tǒng)

該系統(tǒng)安裝在子級(jí)的后面，由四個(gè)相同的推力室模塊組成，每個(gè)模塊在三個(gè)軸線各有一臺(tái)推力為667N的推力室，推力室的總沖量為266.9N·秒。氣氧貯存在壓力為34.47MPa的氣瓶中，氣瓶采用DC-X 和X-3的飛行產(chǎn)品，酒精貯存在氦氣增壓的膜片式貯箱中，該貯箱目前正在制造。推力室采用空氣噴氣公司的軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)，提供的氣氧只能用于低混合比（MLB）燃燒。該系統(tǒng)的初步設(shè)計(jì)已經(jīng)結(jié)束，大部分組件已在使用。首枚火箭的組合件已經(jīng)完成50%。1

（6）軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)

該系統(tǒng)由擠壓式液氧/酒精發(fā)動(dòng)機(jī)和一些關(guān)鍵組件組成，為了提高可靠性，這些關(guān)鍵組件采用冗余設(shè)計(jì)。發(fā)動(dòng)機(jī)的層板噴注器采用已被多次驗(yàn)證的噴注單元，液氧/ 酒精發(fā)動(dòng)機(jī)的技術(shù)問(wèn)題NASA在80年代早期己經(jīng)解決。點(diǎn)火器采用oc-X 和X-3的技術(shù)，電動(dòng)的伺服機(jī)構(gòu)采用航空技術(shù)。鋁質(zhì)氧化劑貯箱、復(fù)合材料外殼的欽質(zhì)酒精貯箱和推進(jìn)劑管理系統(tǒng)符合工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。液膜冷卻的妮合金燃燒室/噴管組件采用空氣噴氣公司設(shè)計(jì)的結(jié)構(gòu)，通過(guò)了大范圍的試驗(yàn)。閥門(mén)和自動(dòng)器采用現(xiàn)有的設(shè)計(jì)。點(diǎn)火器通過(guò)了40次試驗(yàn)，完全成功的試驗(yàn)時(shí)間超過(guò)40分鐘。試驗(yàn)中推進(jìn)劑調(diào)節(jié)范圍較大，每次試驗(yàn)都使用點(diǎn)火器。噴注器的高工況的結(jié)構(gòu)試驗(yàn)己成功進(jìn)行，其穩(wěn)定性得到驗(yàn)證。大面積比的鈮合金燃燒室/噴管已經(jīng)生產(chǎn)完畢，推進(jìn)劑貯箱的設(shè)計(jì)工作已經(jīng)結(jié)束，并開(kāi)始生產(chǎn)。首枚火箭的組合件已完成70%。1

（1）性能高、系統(tǒng)簡(jiǎn)單，利用現(xiàn)有技術(shù)，可重復(fù)使用；（2）發(fā)動(dòng)機(jī)性能高、結(jié)構(gòu)可靠，是俄羅斯和美國(guó)最高技術(shù)的結(jié)晶；（3）推進(jìn)劑供應(yīng)系統(tǒng)采用常溫氦氣增壓，供應(yīng)管路由現(xiàn)有系統(tǒng)的組合件改進(jìn)而來(lái)，維護(hù)方便，壽命長(zhǎng)；（4）一級(jí)姿態(tài)控制系統(tǒng)采用常溫氮?dú)猓玫牡獨(dú)饪梢院痛党?、氣囊所用的氮?dú)庠O(shè)計(jì)在一起，以減小貯存要求；（5）軌道器姿態(tài)控制系統(tǒng)采用軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)的技術(shù)，系統(tǒng)性能高，無(wú)毒；（6）軌道機(jī)動(dòng)系統(tǒng)采用無(wú)毒的液氧/酒精推進(jìn)劑，操作方便，性能高。1