作者:孙武
制作:光明网军事科技前沿
出品:科普中国
在8月2日,直径最大、工作时间最长、动力最强的国产固体火箭发动机面世。这一消息振奋了整个航天领域,同时,也引起了包括网友在内的诸多航天爱好者们的疑惑——究竟固体、液体发动机有什么不同,他们有哪些工作特点?本文将细说这两个型号发动机的工作特点,带你走近这个“大推力”的世界。在说发动机前,先让我们看一下固、液两种发动机最大的不同:燃料。
火箭发动机想要一飞冲天,离不开的必需品就是燃料。这两种发动机所需的燃料,其实在燃烧环节都是大同小异,最大的区别还是在存放和制作工艺上。先说液体燃料吧,这是我们生活中最常见的,比如汽车用的汽油、柴油等等,它们要是应用在火箭发动机之上,则需要进行长时间的发射准备。比如液体燃料不能长时间贮存在火箭里,容易腐蚀火箭弹体、导航元器件等,发射时需要临时加注,发射准备时间长等等。而这些缺点,正是固体燃料的优点。
图为:固体燃料具有准备周期短方便安全的特性
固体燃料准备周期短,方便安全并且运输方便——无需“拖家带口”的液体燃料加注设施、无需长时间的发射准备周期、无需承担储藏液体燃料易燃易爆的风险。当然,唯一需要克服的就是固体燃料那高昂的制作成本与研制难度。
在了解了固、液两种燃料之后,让我们来看看两类发动机的区别。可以说,这两型发动机是相伴相生的。有固体发动机,那一定有液体发动机。相对于固体发动机,液体火箭发动机也有它自身的特点。
液体火箭发动机,基本上是个将火箭所携带的氧化剂与燃料混合起来后进行燃烧的一个工具。氧化剂与燃料单独而言是比较稳定的,不易发生爆炸,但混合起来就不同了,所以二者在火箭内的储箱是严格分开的,只有在燃烧前才会混合在一起。通常而言,为了追求在一定体积重量下尽可能高的获得大推力,火箭发动机要求在尽可能短的时间内燃烧尽可能多的燃料,这就要求燃料和氧化剂必须要尽可能快的流入发动机内混合燃烧,基本上液体燃料火箭发动机外面各种林林总总的管道都是为了这个目的而服务。
通常而言使燃料更迅速的流进发动机的手段有两个,一个是向燃料/氧化剂箱内进行加压,压着它们流出来,另一种,也是主要的一种,就是直接用燃料/氧化剂泵来直接将燃料/氧化剂压入燃烧室。这么个过程说着简单,实现起来难,毕竟燃料/氧化剂泵需要消耗极其可观的能量来驱动,它们的动力来源一直都是个问题,例如美国SSME的液氢泵,强大到30万轴马力。又如火箭发动机的散热问题,几十吨的高能燃料燃烧会产生将近两千度的高温,如何才能保证让喷管不融化,是个问题。又如液氧液氢发动机的氢泵,需要在低温液氢当中以每分钟几万转的高转速工作,且两边压差巨大,如何保证它正常工作,是个极其困难的事情。
图为:足够“壮观”的固体火箭发动机试验
而固体火箭发动机则从多个角度,解决了这些困扰航天发动机领域的难题。
正如大家看的图片一样——固体火箭发动机直观的说就是一个圆柱形的铁壳,主要由壳体、固体推进剂、喷管、点火装置等四部分组成。
而固体推进剂配方及成型工艺、喷管设计及采用材料与制造工艺、壳体材料及制造工艺是最为关键的环节,直接影响固体发动机的性能。固体推进剂配方各种组分的混合物用压伸成型工艺预制成药柱再装填到壳体内,直接在壳体内进行贴壁浇铸。壳体直接用作燃烧室,喷管用于超音速排出燃气,产生推力;喷管组件还要有推力矢量控制(TVC)系统来控制导弹的飞行姿势。火装置在点火指令控制下解除安全保险并点燃发火药产生高温高压火焰用于点燃壳体内的推进剂。这样,既保证了燃料点火的安全,又提高了燃烧效率。
在日后的航天探索中,固体、液体发动机将互相配合,将会完成更多更远的宇宙发现。而在国产的3米固体火箭发动机发布之后,紧随而来的将是中国航天对月球、火星等深空领域的探索,让我们拭目以待,静候以大推力固体燃料发动机为基础的新型运载火箭的一飞冲天。