火箭固态发动机的工作原理是怎样的?

2023-11-20 12:00:06
'固体火箭最特别之处就是它的燃烧是从内侧到外侧,而不是从下向上。燃料和氧化剂再加一些粘合剂(掺在一起合称推进剂)被做成固体,装在固体火箭外壳内。其中例如阿丽亚娜5号的固体火箭助推器推进剂成分为:14%丁二烯,18%铝粉和68%的高氯酸铵。它的截面形状被根据飞行任务设计。下面具体说航天飞机的固体火箭助推器,可见不同位置的推进剂有不同的截面形状阿丽亚娜5号运载火箭的助推器首先固体火箭的点火装置在最上面'

固体火箭最特别之处就是它的燃烧是从内侧到外侧,而不是从下向上。

燃料和氧化剂再加一些粘合剂(掺在一起合称推进剂)被做成固体,装在固体火箭外壳内。其中例如阿丽亚娜5号的固体火箭助推器推进剂成分为:14%丁二烯,18%铝粉和68%的高氯酸铵。

它的截面形状被根据飞行任务设计。下面具体说

航天飞机的固体火箭助推器,可见不同位置的推进剂有不同的截面形状
阿丽亚娜5号运载火箭的助推器

首先固体火箭的点火装置在最上面,有不同的点火方式。比如可以用电来打着一块固体燃料,制造出来的高热高速气体吹入火箭主体。

假如推进剂截面形状为均匀圆形的话,那刚点火时推力最低,因为燃烧面积最小。越烧面积越大也就推力越大。而火箭刚点火时最重,需要相对较高的推力。

这时工程师想到一个解决方案,将推进剂截面形状做成例如星星状。

这样在刚开始燃烧时,燃烧面积最大,当星星状的突出部被烧完了,燃烧面积变小。

航天工程师可以通过推进剂截面形状来设计推力相对时间的曲线。

但是当这一切都完成时,它的行为也就完全预先设计好了。固体火箭一旦点火就必须飞了,没有熄灭推迟再发一次的可能性。其内部几乎没有活动部件。

不同于液体火箭燃烧室比较小,固体火箭整个都是燃烧室,很高,会导致上下方向的压力振荡,燃烧不稳定。而液体火箭的燃烧室上下振荡远远不如这么剧烈。

所以芯体为液体火箭,助推器为固体的火箭发射时,都是芯体先点火,工程师检查液体火箭工况一切正常,才会再将固体火箭助推器点火。

虽然固体火箭比冲不大,但是推力非常高,这也是它被用来做助推器的原因。而由于它的推力远高于主火箭,假如左右助推器的推力过于不对称,这个偏向很难被修正回来,所以固体火箭助推器的生产需要非常非常高精度(当然上天的东西,都挺精密的)。阿丽亚娜5号主火箭1390kN推力,单个助推器7080kN(GS, ECA, ES子型号)。

额外,不像液体火箭发射时需要准备并加注燃料,固体火箭可以长期待命,说发就发。这对军事用途非常友好,但是比冲略低,投射能力低于液体火箭。结构简单,设计和制造要求也低于液体火箭。包括军用飞机的弹射座椅也使用固体火箭。

扩展阅读:

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所有的航天发动机都以反作用力为原理工作,以航天飞机为例,航天飞机同时使用液体燃料发动机(SSME)和固体燃料火箭(SSSRB,以下简称SRB)。

SSME的结构,图片来自Wikipedia

SSME是典型的富燃分级燃烧。其结构复杂,燃料和氧化剂分开储存在外部燃料罐中,其中燃料被泵入,给燃烧室,喷管降温后,一部分进入预燃室,和少量氧化剂燃烧后给带动涡轮泵提供动力,富燃燃气和其他燃料一起进入燃烧室,和氧化剂混合燃烧产生推力。此外还有富氧分级燃烧(常见于煤油发动机),也有预燃后直接排出的引擎,例如rs-68 梅林1d。还有在点火后无需燃气发生器带动的膨胀循环,常见于各种上面级小推力发动机。

相较于复杂的各类液体燃料发动机,固体燃料火箭简单的多,其燃料中心的空间就是燃烧室。而SRB是固体燃料火箭中较复杂的,SRB有四个填满固体燃料的模块,之间通过O型环密封,燃料和氧化剂均匀混合后装填进SRB中,其中顶部的内壁形状为圆形,底部的为11角星。燃烧后通过喷口喷出产生巨大的推力,此外另有两套液压系统,SRB依赖液压系统和矢量喷口来改变喷口方向,为航天飞机发射提供矢量。

STS-107任务中两侧SRB的推力曲线变化,来自Wikipedia

SRB点火时产生1270吨推力,随后迅速提升到1300多吨,以快速度过发射早期的低速度状态,减少重力损耗。底部燃烧的速度很快,而上部燃烧速度较低,所以底部的燃料很快燃烧殆尽,燃烧的表面积降低,因此推力下降,供航天飞机安全度过Max-Q(最大动压)阶段。Max-Q后,SRB推力反弹,以减少重力损耗,提升运载效率。在大约T+75s时,推力开始继续减小以控制过载不超过3.2G,保护乘员和载荷的安全。T+110s后,推力快速下降,此时SRB中的固体燃料燃烧面积很低,推力也变低,当推力降低到45吨时,SRB被分离,此时距地面大约46km,自由滑翔超过其轨道高点后,降落伞会打开并最终溅落在大西洋中。

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固体火箭最特别之处就是它的燃烧是从内侧到外侧,而不是从下向上。

燃料和氧化剂再加一些粘合剂(掺在一起合称推进剂)被做成固体,装在固体火箭外壳内。其中例如阿丽亚娜 5 号的固体火箭助推器推进剂成分为:14%丁二烯,18%铝粉和 68%的高氯酸铵。

它的截面形状被根据飞行任务设计。下面具体说

航天飞机的固体火箭助推器,可见不同位置的推进剂有不同的截面形状
阿丽亚娜 5 号运载火箭的助推器

首先固体火箭的点火装置在最上面,有不同的点火方式。比如可以用电来打着一块固体燃料,制造出来的高热高速气体吹入火箭主体。

假如推进剂截面形状为均匀圆形的话,那刚点火时推力最低,因为燃烧面积最小。越烧面积越大也就推力越大。而火箭刚点火时最重,需要相对较高的推力。

这时工程师想到一个解决方案,将推进剂截面形状做成例如星星状。

这样在刚开始燃烧时,燃烧面积最大,当星星状的突出部被烧完了,燃烧面积变小。

航天工程师可以通过推进剂截面形状来设计推力相对时间的曲线。

但是当这一切都完成时,它的行为也就完全预先设计好了。固体火箭一旦点火就必须飞了,没有熄灭推迟再发一次的可能性。其内部几乎没有活动部件。

不同于液体火箭燃烧室比较小,固体火箭整个都是燃烧室,很高,会导致上下方向的压力振荡,燃烧不稳定。而液体火箭的燃烧室上下振荡远远不如这么剧烈。

所以芯体为液体火箭,助推器为固体的火箭发射时,都是芯体先点火,工程师检查液体火箭工况一切正常,才会再将固体火箭助推器点火。

虽然固体火箭比冲不大,但是推力非常高,这也是它被用来做助推器的原因。而由于它的推力远高于主火箭,假如左右助推器的推力过于不对称,这个偏向很难被修正回来,所以固体火箭助推器的生产需要非常非常高精度(当然上天的东西,都挺精密的)。阿丽亚娜 5 号主火箭 1390kN 推力,单个助推器 7080kN(GS, ECA, ES 子型号)。

额外,不像液体火箭发射时需要准备并加注燃料,固体火箭可以长期待命,说发就发。这对军事用途非常友好,但是比冲略低,投射能力低于液体火箭。结构简单,设计和制造要求也低于液体火箭。包括军用飞机的弹射座椅也使用固体火箭。

扩展阅读:

卢西:从科幻走进现实的发动机——离子推进器

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