[科普中國]-化學(xué)火箭

簡介

利用化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)的火箭稱為化學(xué)火箭。

用化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推進(jìn)的火箭。按所使用推進(jìn)劑的物理狀態(tài)，可分為固體、液體、固液混合推進(jìn)劑火箭。固體火箭的結(jié)構(gòu)緊湊，使用方便，發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間較短，廣泛用于導(dǎo)彈、火箭彈、助推器及航天飛機(jī)等；液體火箭結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，發(fā)射準(zhǔn)備時(shí)間較長，但比沖高，發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間長，易于推力調(diào)節(jié)并能多次啟動(dòng)，常用作衛(wèi)星、飛船、航天飛機(jī)等空間飛行器的運(yùn)載火箭；固液混合式火箭，因存在燃燒溫度高并且不穩(wěn)定等問題，目前尚未得到實(shí)際應(yīng)用?；瘜W(xué)火箭經(jīng)歷了漫長的發(fā)展歷程，早在11世紀(jì)，中國就出現(xiàn)了世界上最早的軍用固體火箭，為人類火箭技術(shù)的發(fā)展和應(yīng)用作出了重要貢獻(xiàn)；與固體火箭相比，液體火箭發(fā)展較晚，20世紀(jì)20年代中期才開始試驗(yàn)，其推進(jìn)原理同古代固體火箭一脈相承，作為實(shí)際應(yīng)用則是德國在30年代末研制的V-2液體火箭。戰(zhàn)后50多年來，固體和液體火箭均獲得了迅速發(fā)展，已能滿足軍事和各種航天器運(yùn)載工具的不同需要。

基本假設(shè)化學(xué)火箭發(fā)動(dòng)機(jī)理想熱力循環(huán)過程滿足以下假設(shè)：

(1)工質(zhì)(或者化學(xué)反應(yīng)產(chǎn)物)是均相的，服從完全氣體定律，在發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)氣體達(dá)到化學(xué)平衡，氣體成分在噴管內(nèi)不變。

(2)沒有穿過發(fā)動(dòng)機(jī)室壁的傳熱，流動(dòng)是絕熱的；沒有明顯的摩擦，忽略所有的邊界層效應(yīng)。

在以上假設(shè)的基礎(chǔ)上，液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的理想熱力循環(huán)分為的4個(gè)過程，如右圖所示。

(1)0-1為推進(jìn)劑在泵內(nèi)的壓縮過程，比體積變化很小，近似為定容過程；

(2)1-2為推進(jìn)劑在燃燒室內(nèi)的等壓燃燒過程，簡化為定壓加熱過程；

(3)2-3為燃?xì)庠趪姽軆?nèi)的絕熱膨脹過程；

(4)3-0為等壓放熱過程，燃?xì)饨祲汉蟊慌湃舜髿猓?jīng)歷在大氣中向環(huán)境的放熱過程，構(gòu)成一個(gè)封閉的循環(huán)。2

性能分析整個(gè)分析通?？煞譃閮蓚€(gè)相對有些獨(dú)立的計(jì)算過程：

(1)燃燒過程是第一部分。它發(fā)生在室壓基本恒定(等壓)的燃燒室中，生成的氣體遵循道爾頓定律。化學(xué)反應(yīng)或燃燒的速率非常高。假定燃燒室容積足夠大、氣體在燃燒室內(nèi)的停留時(shí)間足夠長，燃燒室內(nèi)達(dá)到化學(xué)平衡。

(2)噴管氣體膨脹過程構(gòu)成了計(jì)箅的第二部分。經(jīng)完全反應(yīng)的、平衡的氣體燃燒產(chǎn)物進(jìn)入噴管，在噴管內(nèi)經(jīng)歷絕熱膨脹。在噴管可逆(等熵)膨脹過程中熵為常數(shù)，但在實(shí)際噴管流動(dòng)中熵稍有增加。

化學(xué)反應(yīng)主要發(fā)生在液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)燃燒室內(nèi)或固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的藥柱空腔內(nèi)(通常在燃燒面附近短距離范圍內(nèi))。第九章和第十五章將進(jìn)一步分析這些燃燒室中的燃燒過程。然而，隨著氣體的膨脹，噴管內(nèi)也會(huì)出現(xiàn)一些化學(xué)反應(yīng)，因此噴管內(nèi)反應(yīng)產(chǎn)物的組分會(huì)發(fā)生變化，如本章將敘述的。噴管外的排氣羽流中可能還會(huì)發(fā)生進(jìn)一步的化學(xué)反應(yīng)，這將在第十八章敘述。本章敘述的許多熱化學(xué)基本分析方法同樣也可應(yīng)用于排氣羽流。3

化學(xué)火箭改進(jìn)盡管推力是遠(yuǎn)征火星過程中所需的各種機(jī)動(dòng)的重要參數(shù)，但是真正決定成功的卻是排氣速度。排氣速度和所需速度變化的比值，定義了本章前面提到的推進(jìn)劑倍數(shù)，從而確定了所需推進(jìn)劑的質(zhì)量。我們過去用于計(jì)算基本任務(wù)需求的3．24 kin/+S的排氣速度，是以伊斯特發(fā)動(dòng)機(jī)的可貯存系統(tǒng)為基礎(chǔ)的。但是如果我們提高這一速度。會(huì)出現(xiàn)什么情況，又有什么問題呢?以航天飛機(jī)主發(fā)動(dòng)機(jī)為基礎(chǔ)．采用液氧和液氫推進(jìn)劑．那么會(huì)極大地減小推進(jìn)劑倍數(shù)。例如．從地球軌道出發(fā)的倍數(shù)，就可貯存推進(jìn)劑來說是1．99；但就低溫推進(jìn)劑而言，該倍數(shù)減小為1．18。其結(jié)果就是整個(gè)任務(wù)所需推進(jìn)劑的質(zhì)量將大幅降低。4