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液体火箭发念头事情原理与固体火箭药柱镌刻(续)

时间:2021-08-25 01:32作者:雷泽体育

本文摘要:在今天对世界各国主要液体火箭发念头状况的科普开始之前,我们先要说明一下发念头的一个重要的数值:比冲。火箭燃气的喷射速度除以重力加速度则获得比冲,单元是秒,比冲巨细与发念头的推进剂化学能、燃烧效率和喷管效率相关。这里列出一条在航天上著名的公式:齐奥尔科夫斯基方程,该方程为:ve为火箭的喷气速度,m和mk划分为发念头事情开始和竣事时的火箭质量。

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在今天对世界各国主要液体火箭发念头状况的科普开始之前,我们先要说明一下发念头的一个重要的数值:比冲。火箭燃气的喷射速度除以重力加速度则获得比冲,单元是秒,比冲巨细与发念头的推进剂化学能、燃烧效率和喷管效率相关。这里列出一条在航天上著名的公式:齐奥尔科夫斯基方程,该方程为:ve为火箭的喷气速度,m和mk划分为发念头事情开始和竣事时的火箭质量。

该公式算出来一个叫速增量的玩意,这个玩意权衡了该火箭能够改变的速度巨细,好比一个火箭从1km/s加速到3km/s就要消耗2000的速增量,一个火箭从5km/s减速到3km/s也要消耗2000的速增量,所以速增量决议了一个火箭能够完成什么任务,好比9000左右的速增量的火箭能把卫星发射到近地轨道,有了13000左右的速增量就能飞到月球,从公式中可以发现,提高速增量要么提高燃气喷射速度,要么淘汰最终的重量,也能增加初始的重量(其实就是增加燃料)。所以燃气喷射速度直接决议了火箭的性能,上面说了比冲即是燃气喷气速度除以9.8(重力加速度),所以更高的比冲就能给火箭更高的速增量亦或者带来更重的载荷,空话不多说,下面枚举了两款世界上最大型的火箭发念头F-1和RD-170,前者是美国著名土星5号火箭的一级发念头,后者是苏联能源号运载火箭的助推器发念头,该火箭曾用来发射苏联唯一一架航天飞机狂风雪号。

RD-170和F-1的数据比力从图中我们可以看到相互的推重比差不多,RD-170的推力更大,燃烧室的室压更是后者的3.5倍,所以比冲上便有了很大的差距,上面说了比冲将直接影响了火箭的速增量,影响火箭的性能。所以RD-170的先进性确实比F-1要高,这就是高压补燃循环比起燃气发生器循环来说的优势所在,固然了笔者也不是批判F-1引擎,究竟它还是缔造了人类的奇迹,是人类最大推力的单喷管发念头,而且它比RD-170早生了20年嘛。

这里要说明的是,许多人认为喷口数即是发念头数量,其实这是不正确的,RD-170是一个4喷口的火箭发念头,然而RD-170的四个喷口都是共用一套燃料泵,也共用两个预燃室。所以人家是一台发念头而不是四台。

许多人对N-1的四次大烟花另有很深的印象,认为苏联的发念头不行而造成这航天史上的悲剧,可是就NK33这款发念头来说,其实性能是不错的,它是苏联第一款高压补燃循环的液氧煤油发念头,真空比冲也到达了331s的性能,最主要的是它的推重比到达了137,这个推重比直到近年才被spaceX公司的Merlin-1D的150的推重比打破,问题就在于它那一百二十多吨的推力还是不足以推动N-1那差不多3000吨的体型,最后只能依靠堆了30个高压补燃循环的庞大的发念头群导致整体设计上的庞大,最终导致4箭全炸的教训,苏联在痛定思痛以后研发了以RD-170为焦点的高性能液氧煤油发念头,经由了20多年的生长苏联的液氧煤油火箭发念头的性能终于到达了世界巅峰,这点连美帝都说好,因为苏联解体后的俄罗斯在RD-170的基础上淘汰了两个燃烧室研发了RD-180火箭发念头,不外RD-180把RD-170的24.5MPa的燃烧室压力进一步提升到了25.7MPa,这使得燃烧室数量减半的RD-180的推力并不是RD-170的一半,而是390.35吨,约为RD-170推力的52.8%。这款发念头被运用在了美国宇宙神5系列运载火箭上面,至今已经出售给了美国一百多台,该系列火箭占了美国运载火箭系列的1/3的发射数量,2016年的22次发射中就有8次发射使用了宇宙神5运载火箭。

可是由于大国博弈,俄罗斯与美国在关系上泛起裂隙,导致俄罗斯曾经放话要克制RD-180的出口,作为应对,美国通过了众议院2014年12月通过参议员约翰·麦凯恩关于美于2019年前全面挣脱俄制发念头的修正案。在ULA的新一代运载火箭火神的宣传视频中也特地强调:我们将接纳美国产的新引擎!不外在一段时间内,RD-180将负担美国运载火箭的支柱职位也是不能改变的事实。高压补燃循环作为火箭发念头领域内里最庞大的循环方式,无论是研发和生产,其难度都比上面的两种循环方式越发庞大,欧洲空间局ESA对燃气发生器循环和高压补燃循环的评估是接纳高压补燃循环的发念头研究用度要比前者高33%,生产成本要高20%。

此外外洋的高压补燃循环的研制周期一般长达10年-15年,远高于燃气发生器循环。我国适时的从90年月获得了苏联的RD-120火箭发念头,经由了长时间的技术吸收,在2000年立项,在2012年乐成制作了我国的国产高压补燃循环的液氧煤油发念头YF-100,其门路可谓是相当的漫长。YF-100使中国的第一款实用性液氧煤油发念头就是世界上先进的富氧预燃高压补燃循环火箭发念头,从这点来看,我们的液氧煤油火箭发念头从技术上是先进的,在起点上也是比力高的,所以我国在未来给长征9号使用的500吨级液氧煤油发念头也将接纳高压补燃循环,双燃烧室的设计,有点类似于RD-180。有小同伴们可能会问了最近的美国的SpaceX搞出来一个叫全流量分级燃烧循环的甲烷发念头,那什么是全流量分级燃烧循环呢,其实它是高压补燃循环的基础上的进化,改用两个预燃室,一个富燃燃烧一个富氧燃烧,富燃燃气驱动动员燃料泵的涡轮泵,富氧燃气驱动动员氧化剂泵的涡轮泵,这样离开来的利益就是富氧燃气的身分与氧气不反映,所以即便涡轮中的富氧燃气泄露到泵内里,也不会与泵内里的氧气发生燃烧、爆炸,富燃燃气同理也是如此。

而且氧化剂和燃料均经由预燃室气化,所以燃烧的效率更高,比起普。


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