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火箭发动机技术硬核吗？

火箭发动机,发动机,燃料火箭发动机技术硬核吗？

发布时间：2020-12-06加入收藏来源：互联网点击：

火箭发动机技术硬核吗？

回答于 2019-09-11 08:43:50

回答于 2019-09-11 08:43:50

火箭发动机，也就是冲压发动机，这是目前结构最简单（没有旋转件）、一次性使用、能够提供较大推力的最好的发动机。不但火箭要用冲压发动机，导弹也要用冲压发动机。

但是冲压发动机并不是最完美的发动机，理由如下：

1. 热效率太低，在发动机内部因燃料燃烧产生的高温气体没有通过任何能量转换就直接从尾部喷出去了，其热效率最高不超过15%，所造成的结果是：一是无论是火箭还是导弹，其使用量都不是很大，所以能量浪费和环境污染还是其次；二是由于热效率低下，需要的燃料（例如液氢）和助燃剂（例如液氧）的量很大，占据了整个火箭或导弹的重量的至少90%以上，所以发射效率很低。例如长征七号火箭，有效最大发射重量13.5吨，而发射前火箭起飞重量是720吨，其有效发射效率还不到2%。

2. 飞不高、飞不远。主要原因有：一是由于上述热效率低下，需要燃料和助燃剂重量过大；二是由于冲压发动机技术是靠燃烧气体从尾部喷出而提供动力，所以即使提高热效率，同样还是需要气体物质从尾部喷出而提供动力，这就是该发动机技术的主要短板；三是无论是用液氢加液氧作为燃料组合，还是用航空煤油加四氧化二氮(N2O4)等其它燃料组合，都用的是化学能，能量密度较低，这又是冲压发动机的又一短板。此三者，不但限制了现在的火箭技术不能实现星际飞行，而且即使是导弹，也实现不了全球无缝覆盖。

从火箭飞行的过程分析，消耗燃料最多的是从地面到大气层边缘的这段大引力场距离，这段距离大约是离海平面20至30公里的范围。所以，如果用喙轮发动机作为火箭发射的第一级发动机，飞到离海平面20至30公里处脱落，再交替给冲压发动机完成后续飞行。这样，一是至少可以减轻100吨以上的火箭起飞重量，增加有效载荷30到50吨；二是如果还是与原来同样多的燃料，则飞行距离可以大幅增加，实现月球直航可能就不是梦想了。





回答于 2019-09-11 08:43:50

很硬核，想评估一个技术是不是硬核方法很简单：原理大家都懂，但不是谁都能造不出来。这就是硬核技术！

我本身并不是航空领域的从业者，但是对于航空领域的一些装备制造工业的产品有所熟悉，从一个大众的角度，引述一些资料内容，满足大部分同我一样的航空迷的兴趣。

1、火箭发动机的类型

我们现在见到的火箭发动机，国内的长征系列，美国的spaceX系列火箭都是采用的化学能作为发动机的能源。从类型上面来讲，火箭发动机包括了涡轮喷气发动机，涡轮冲压发动机，不同能源（烃类燃料，氢，氧燃料）冲压发农机，这几类是当前的主流。

还有在研究，并且理论上可行的例如核裂变，聚变发动机（也就是核能发动机），电火箭发动机，以及太阳能发动机。


从现实中的案例来说：中国2020年5月5日发射的长征系列B火箭，就属于冲压发动机。液氧、液氢和煤油作为推进剂，起飞质量约849吨，近地轨道运载能力不小于22吨。

在世界的另一边，马斯克的spaceX的猎鹰系列发动机。被称为梅林发动机，目前已经从A系列发展到D+系列，这是一款液氧煤油发动机。

spacex研发的梅林发动机

重型猎鹰火箭，27个发动机并联设计，推动升空。

2、火箭发动机的原理：空气内能转发为动能

基本上当前服役的火箭发动机都是使用的气体的内能，转化为动能的过程。也就是其他膨胀后，通过管路按照设定的轨道释放出去，实现推进。

通俗点说，你家里放的穿天猴就是这个原理。只不过那时固体颜料。


所以，从这个原理上面将，火箭发动机的研发，就集中在：

（1）要解决高热，高压空气的输送，和有比例，可以控制的燃烧。

高中物理就已经学过的移动理论“爆炸是剧烈燃烧的一种表现”。

那么很简单，让燃料在一个空间里面，有序的燃烧，提供稳定，可以控制的压力，从而转换出动能。这个难度其实不小。

这就相当于，烧火，大家都会，但是怎么引导火为你所用，那就比较难了！

挤压式液体火箭发动机系统装置。

这个图其实就比较好的能够理解：你在电视上面看到的火箭发动机，为什么这么多管道，通路，就是有效的控制燃料在合适的计量上面。从而实现推理的可控性。

一旦燃料控制出现问题会有什么情况？燃料不足，就停机，燃料过多会爆炸。

有人问，这个玩意难道不好控制吗？不好控制！

这是美国红石火箭发动机（就是1950年代送猩猩进入太空的火箭的发动机），这部分就是燃烧室和喷口。

他没有你想的那么复杂，就是在燃烧器杯，将燃料喷出来，然后在燃烧室力燃烧，然后就直接喷出去了。看着简单吧！

就因为后道简单，所以前道才复杂！

也就是说，一个高温的气体，目前只能给与非常少的物理塑性。也就是我们看到的这个喷口，其实是经过动力学原理设计的，一边实现在多大的压强与速度下，实现多少速度。

那么这部分设计定性之后，其实难度就落到前道，也就是前面怎么控制燃料下来，以及怎么让燃料有更高的性能。也就是我们经常会听到的推重比。

所以我们经常会听到，固体燃料，氢燃料，还有混合燃料。

以及忽然有一天听到的霍尔推进器。这玩意不做重点介绍。这是在太空中使用的推进器。其喷射出来的并不是气体，而是离子。（有兴趣的自己去研究一下）

（2）各类火箭燃料粉墨登场！

为了探索各种推进比的更高能效。各个国家都在研究燃料的合理配置，以及根据各种燃料研究火箭发动机。（看清楚，燃料不同设计的发动机也不一样！）

上面的东西，不工业的人，都接触过。也有没接触过的。大家都知道，各种燃料的物理特性，和化学特种都不相同。这就是说冷却和配比都不一样。

如土星5号，一级火箭采用的是液氧煤油发动机F1

我国的长征系列火箭，主要采用的是液氢液氧，后续研发加入了煤油。包括固体燃料等都在研发。

各类燃料的采用，还有考虑经济效益。因此我们目前看到的大部分还是采用的

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