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火箭推进

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发表于 29-11-2007 04:46 PM | 显示全部楼层 |阅读模式
简介

火箭推进是一种精密的结构,它的原理主要是力学、热力学 (Thermodynamics),以及其它有关科学之运用。火箭的推力源自牛顿第三定律 (Newton's 3rd Law, action and reaction)。燃料经过燃烧室 (combustion chamber) 燃烧以后,会产生高温高压的气体,之后再经过一个喷嘴 (nozzle) 而加速,并排气到外界。这些气体便是推动火箭的原动力。火箭以以下来分类:
  • 气体加速法 (Gas Acceleration Mechanism)
  • 能源来源 (Energy Source)
  • 推力 (Thrust Level)
气体加速法 (Gas Acceleration Mechanism)
  • 热力 (Thermal) eg: 一般的燃料火箭 (propellant rockets)
  • 静电 (Electrostatic)  eg. 离子发动机 (ion thrusters)
  • 电磁铁 (Electromagnetic) eg. MPD 发动机 (Magneto Plasma Dynamic Thrusters)





能源来源 (Energy Source)
  • 化学 (Chemical)
  • 太阳能 (Solar)
  • 核能 (Nuclear)





推力 (Thrust Level)
  • 高 ( > 1 G) eg. 运载火箭
  • 低 ( < 1 G) eg. thrusters


火箭的特点

火箭跟一般的飞机引擎主要的不同点在于:飞机引擎只能在大气层内飞翔,但是火箭可以在外层空间工作,因为它不需要利用空气便能够燃烧推进。因此它的推力不会被高度影响 (thrust independent of altitudes)。除此之外,它的推力-重量比率 (thrust - weight ratio)是很高的 。

火箭的用处
  • 非太空用途
    • 导弹推进系统 (propulsion system for missiles)
    • 超音速飞机推进系统 (primary propulsion system for supersonic research plane eg. X - series)
    • 飞机起飞辅助推进系统 (Assist take-off rockets forairplanes)
    • 逃生设备 (ejection of escape capsule)
  • 运载火箭
    • Soyuz
    • Titan IV
    • Space Shuttle
  • 太空用途
    • 轨道转移 (orbital change, plane change, trajectory transfer)
    • 轨道维持 (orbital control, orbital correction)






[ 本帖最后由 rocketeer 于 5-12-2007 01:02 PM 编辑 ]
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 楼主| 发表于 29-11-2007 04:48 PM | 显示全部楼层

化学火箭发动机 Chemical Rocket Engines

化学火箭发动机 Chemical Rocket Engines

化学火箭发动机 (Chemical Rocket Engines) 可分为:
  • 固态火箭发动机 (Solid Propellant Rocket Engines)
  • 液态火箭发动机 (Liquid Propellant Rocket Engines)
  • 混合式火箭发动机 (Hybrid Rocket Engines)
固态火箭和液态火箭是现今比较常用的火箭。此外,还有混合火箭---就是用固体的燃料 (solid propellants) 和液体的氧化剂 (liquid oxidizer)。另外,值得一提的是,现今运载火箭大多包含了液态火箭跟固态火箭,也就是说,一个火箭可能第一节 (first stage) 是固态的而第二节却是液态的。


固态火箭发动机  Solid Propellant Rocket Engines


固态火箭的燃料 (fuel) 和氧化剂 (oxidizer) 是以固体状态储存在火箭的彈体里面。固态火箭发动机的燃料是直接安装在火箭的后部,使用的時候利用点火器 (Ignitor)引发燃料燃烧,产生推力推送火箭。

主要部件:
  • 点燃器 (Ignitor)
  • 外壳 (Casing)
  • 燃料核 (Grain)
  • 喷嘴 (Nozzle)



固态火箭的好处:
  • 设计简单,不需要额外的燃料槽 (fuel tank), 加压设备 (pressurized system) 等,重量较轻。(Simple Design)
  • 不需时常维护, 燃料期限也长 ( Easier to maintain)
  • 反应时间短
  • 对环境冲击力的忍耐力强
固态火箭的坏处:
  • 比冲量 (Specific Impulse) 较低
  • 一旦启动就很难停止
例子:
  • 太空梭的固态推进器 (Space Shuttle Solid Rocket Booster, SRB)
  • Delta IV 的固态推进器







液态火箭发动机  Liquid Propellant Rocket Engines

液态火箭和固体火箭的不同之处在于燃料。顾名思义,液态火箭的燃料当然是在液状。液体的好处在它可被压缩 (compressible),因此其  volume  会较固体低,同样的 density 下,重量就较低。这就是液态火箭的 specific impulse 较高的原因。

燃料特性

液态火箭燃料可分为需要特殊装置储存和能够保存一段时间两类。需要特殊装置的燃料需要加压和冷却设备,在燃烧前保持在液体状 , 比如 LH2 和 LOX。这一类的液态火箭燃料在发射前才会输入到火箭的燃料槽 (Fuel Tank)。

另外一类燃料是在一般环境下就是以液态存在,不需要另外的设备维持。早期这一类的燃料的腐蚀性很高,也无法常年的储放, 在处理或者是运输的过程当中, 安全措施需作好。后期的液态燃料转向能够在火箭燃料槽储存较长的时间,腐蚀性较低。不过这种燃料的储存年限仍是一定的,只是大幅延长。

液态火箭发动机的好处
  • 比冲值 (Specific Impulse) 较一般的固体火箭高
  • 可以间歇性的使用 (Throttlability)
液态火箭发动机的坏处
  • 需要管线 (Piping) 与加压设备 (Pressurized System),较固态火箭复杂得多
  • 燃料的腐蚀性
  • 储存的时间较短,需要定期更换与检查

液态火箭发动机可分为三种:
  • Monopropellant
  • Bipropellant
  • Tripropellant
Monopropellant Rockets

Monopropellant rockets 是单一燃料的火箭, 只有一种燃料。 Hydrazine (N2H4) 和 Hydrogen Peroxide(H2O2) 是两种常用的燃料。其好处在于不需点燃器 (Ignitor), 只须催化器 (Catalyst, normally silver or platinum)。经过催化器,  燃料将分解 (decompose) 成气体和释放大量热能,造成自动燃烧 (self-ignition)。

用处:

这种火箭由于操作及设计简单, 因此多数用在卫星的轨道维持与方向转移 (attitude control)。





Bipropellant Rockets

Bipropellant rockets 是双燃料的火箭。两个燃料桶 (Fuel Tank) 分别装着燃料 (Fuel) 和氧化剂(Oxidizer)。数千种燃料和氧化剂的组合已经被测试, 很多种已证实可行。经过复杂的管线 (Piping) 与泵 (Turbopump),  燃料从燃料桶里的液状变成气状, 然后流至燃烧处 (combustion chamber),再经点燃器就能点燃,释放出大量热能。

Bipropellant rockets 的操作原理看似简单,不过实际运用却是很复杂。当中的难处包括:
  • 输送至燃烧处的燃料和氧化剂的比率需非常准
  • 输送至燃烧处的燃料需是气状,因为液状在高温会变成气状再燃烧,这会导致燃烧的不稳定 (Combustion Instability)
  • 燃料的疏漏 (leakage) 更是致命,因此 turbopump 和 piping 的设计需很谨慎
  • 等等
用处:

  • 卫星的主要火箭发动机 (major engine, eg. space shuttle main engine), 主要是用在大型的轨道转移 (orbital change, plane change manuevers)
  • 运载火箭







Tripropellant Rockets


Tripropellant rockets 又可分为两种。 第一是由三种不同的燃料参在一起变成单一燃料 (mixture of three different type of propellants)。已经试过的有由 lithium, hydrogen 和 fluorine参在一起,specific impulse 是 546 seconds,这是化学火箭的最高了。不过这种燃料并不可以使用,因为排出的废气是很毒的,对环境的污染很大。

第二种是由一种 oxidizer 和两种 fuel (kerosene + LH2) 组成。 这种火箭可以交换使用不同的燃料, 基本上是两个发动机合成一个,共用一些零件如燃烧处 (combustion chamber)。 到目前为止,只有 Russia 曾经在 90年代制造过 (RD-701), 最后因经费不足而取消 。

RD-701:


混合式火箭发动机 Hybrid Rocket Engines

混合式火箭的燃料由两种不同性质( different state of matter) 的物质组成, 即固状和液状。其燃料 (fuel) 是固状的,而氧化剂 (oxidizer) 是液状的。混合式火箭可以说是固状火箭和液状火箭的合体。



混合式火箭的特点
  • 可以间歇性的使用 (Throttlability)
  • 设计较液状火箭简单 (Simpler design)
  • 表现 (performance) 较固状火箭好
例子:
  • SpaceShipOne 的 hybrid rocket motor



总结

在化学火箭, 我们有表现 (performance) 最好的液态火箭, 不过设计复杂, 科技门栏高; 也有设计简单, 科技门栏较低的固态火箭, 表现当然较液态火箭差。

两者之间, 我们有混合式火箭, 集合了固态火箭和液态火箭的好处与坏处。混合式火箭是当今大力研发的火箭种类, 火箭科学家正努力的减少混合式火箭的坏处, 凸现它的好处。

[ 本帖最后由 rocketeer 于 5-12-2007 05:24 PM 编辑 ]
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发表于 29-11-2007 09:10 PM | 显示全部楼层
挺你,加油。
虽然我看不懂。
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发表于 29-11-2007 11:30 PM | 显示全部楼层
加油!!!我挺你!!!
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发表于 30-11-2007 03:32 PM | 显示全部楼层
楼主的资料不错。
但是还是需要努力默默耕耘。

如果楼主不介意,我想补充一点,
ion truster已经在欧洲火星探测车上使用,未来的希望。
另外固体燃料火箭的技术门榄相对较低。

但是有一点我不太明白的是,
第一节火箭主要是要逃离地球引力场。
大推力是关键,那样为什么反而第一节火箭会使用specific impulse更低的固体火箭?

另外,由于火箭推进可以用在各种用途上,
建议楼主把重点放在其中一个用途上,
例如非火箭用途或是太空上,否则读者们很容易眼花缭乱confused.
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 楼主| 发表于 30-11-2007 09:20 PM | 显示全部楼层

回复 #5 pfg1group 的帖子

谢谢您的忠告!!

我之所以提出火箭的非太空用途,主要是希望大家有一个较广的看法,和知道火箭不只是用在太空罢了。

这个帖会是关于火箭在宇航业的角色。

至于您提出的问题,我手上有的资料是:

在 space shuttle 的发展初期,liquid rocket booster(LRB) 是有被考虑的,尤其是 Challenger 的意外后,不过由于开发新的 LRB 系统的开销太高,结果 NASA 决定用回 solid rocket booster (SRB), 只是改进和改良 SRB.

还有就是 LRB 的燃料即 LOX 和 LH2,需低温储存,还有 LRB 复杂的 pressurized system, feeding system 等等,就如您说的一样技术门榄高. 工程角度来看呢, 越复杂的系统, 意外发生的几率就越高.

在 spacecraft (SC) design 的观点, 我们设计出来的 SC 未必是最好的设计. 很多方面要考量, 其中包括 cost, technology availability, time 等等. 简单来说我们不会用很高的费用和很长的时间来设计一个最好的,反而是用有限的费用和时间设计一个适合的(不是最好的).

火箭的表现来看, 就用 Ariane 4 为例, 44P model(用 SRB) 可以送 3465 kg 到 geostationary orbit (GEO);反观 44L model (用 LRB)可以送 4790 kg 到 GEO. 安全是一个很重要的考量, 安安全全的送 3465kg 和心兢胆跳的送 4790kg 上太空有很大的分别.

最后我的看法是:

除非 LRB 被证明和 SRB 一样或更可靠,而且 SRB 的推力也足以逃离地球引力,只是载量方面会较吃亏, 所以纵观各方面的利害关系,设计师还是会以 SRB 为主要考量. 当然在一些特别的情况下, LRB 还是会被考虑和采用的.  

希望我答到您的问题.
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发表于 1-12-2007 08:06 PM | 显示全部楼层
终于看到你的发帖了

先代表本版谢谢你咯
其他人呢?
唱歌那位呢?

大家耐心点
给与支持
rocketeer就会 发表更多关于太空的东西了
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发表于 1-12-2007 09:55 PM | 显示全部楼层
谢谢楼主的分享,这些都是很好的知识。
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发表于 2-12-2007 02:55 AM | 显示全部楼层

回复 #6 rocketeer 的帖子

谈不上忠告,仅为意见交流而已。

楼主的回复证明楼主是有料之人。
此楼值得继续跟进。

继续等楼主有关液态火箭的资料。
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 楼主| 发表于 2-12-2007 01:02 PM | 显示全部楼层

回复 #9 pfg1group 的帖子

有料之人??

还有一段很长的距离。。。。。。
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 楼主| 发表于 6-12-2007 01:17 PM | 显示全部楼层
化学火箭发动机 完成了!!
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发表于 31-12-2007 04:58 PM | 显示全部楼层
谢谢!很好的百科资料。
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