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宁动柴油机配件-中国古代发明火箭发动机,领先世界千年,你知道吗?火箭发动机分类标准

来源:应急救援装备网  作者:蓝品汇优采云   2024-06-13 阅读:95

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火箭发动机

火箭发动机最早是我国劳动人民发明的。早在唐初(公元7世纪左右)就出现了火药。南宋时期,火药被用来制造烟花,包括“烟花”。火箭是在13世纪左右发明的。我国古代制造的火箭和烟花火箭发动机的分类,使用的都是黑色火药。它们的工作原理与现代固体燃料火箭相同。

与空气喷气发动机相比,火箭发动机最大的特点是既携带燃料,又携带氧化剂,依靠氧化剂助燃,不从周围大气中吸取氧气。因此,它不仅可以在大气层中工作,而且可以在大气层外的宇宙真空中工作。这是任何空气喷气发动机都无法做到的。目前发射的人造卫星、月球飞船、各类宇宙飞船上所用的推进装置,都是火箭发动机。

现代火箭发动机主要分为固体推进剂和液体推进剂发动机,所谓“推进剂”是燃料(燃烧剂)加氧化剂的统称。

1.固体火箭发动机

火箭发动机的分类

固体火箭发动机是使用固体推进剂的化学火箭发动机火箭发动机的分类,例如聚氨酯、聚丁二烯、羟基端基聚丁二烯和硝酸盐增塑聚醚。

固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件、点火装置等组成。药柱是用推进剂和少量添加剂制成的空心圆柱体(空心部分为燃烧面,其截面有圆形、星形等)。药柱置于燃烧室(通常是发动机壳体)内。推进剂燃烧时,燃烧室要承受2500~3500度的高温和102~2×107Pa的高压,因此必须采用高强度合金钢、钛合金或复合材料制成,并在药柱与燃烧内壁之间装有隔热内衬。

点火装置用于点燃火药柱,通常由电点火管和火药盒(内装有黑火药或烟火剂)组成,接通电源后,通过电热丝点燃黑火药,再由黑火药点燃燃料柱。

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喷管除了加速气体膨胀产生推力外,为了控制推力方向,还常常与推力矢量控制系统组合成喷管组件,该系统可以改变气体喷射角度,从而实现推力方向的改变。

当推进剂完全燃烧时,发动机停止工作。

与液体火箭发动机相比,固体火箭发动机具有结构简单、推进剂密度大、推进剂可贮存在燃烧室内备用、工作方便可靠等优点。其缺点是“比冲”较小(也称比推力,是发动机推力与每秒消耗的推进剂重量之比,单位为秒)。固体火箭发动机的比冲为250~300秒,工作时间短,加速度大船舶物资,推力不易控制,不易反复启动,不利于载人飞行。

固体火箭发动机主要用作火箭、导弹和探空火箭的发动机,以及宇宙飞船发射和飞机起飞的助推发动机。

2.液体火箭发动机

液体火箭发动机是指采用液体推进剂的化学火箭发动机,常用的液体氧化剂有液氧、四氧化二氮等,燃烧剂有液氢、偏二甲肼、煤油等,氧化剂与燃烧剂必须存放在不同的储罐中。

液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供给系统和发动机控制系统组成。

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推力室是将液体推进剂的化学能转化为推力的重要部件,由推进剂喷嘴、燃烧室、喷嘴组件组成,如图所示。推进剂通过喷射器喷入燃烧室,经雾化、蒸发、混合、燃烧后生成燃烧产物,以较高的速度(2500-5000米/秒)从喷嘴冲出,产生推力。燃烧室内的压力可达200​​个大气压(约),温度为300-4000℃,因此需要冷却。

推进剂供给系统的作用是将推进剂以所需的流量和压力输送到燃烧室。根据输送方式的不同,供给系统有挤压式(气体压力式)和泵压式两种。挤压式供给系统是利用高压气体经减压器减压后进入氧化剂箱和燃料箱(氧化剂和燃料的流量由减压器设定的压力控制),分别挤入燃烧室。挤压式供给系统只用于小推力发动机。大推力发动机采用泵压供给系统,即利用液压泵输送推进剂。

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发动机控制系统的作用是调节和控制发动机的工作过程和工作参数。工作过程包括发动机的启动、运行和关闭,这个过程按照预定的程序自动进行。工作参数主要指推力的大小、推进剂的混合比等。

液体火箭发动机的优点是比冲大(250~500秒)、推力范围广(单次推力1克力至700吨力)、可重复启动、推力可控、工作时间长等。液体火箭发动机主要用于航天器的发射、姿态修正与控制、轨道转移等。

3. 其他能源火箭发动机

1. 电火箭发动机

电火箭发动机是利用电能加速工作流体,形成高速喷流产生推力的火箭发动机。与化学火箭发动机不同,这种发动机的能源和工作流体是分开的。电能由飞行器提供,一般从太阳能、核能、化学能等通过转换装置获得。工作流体包括氢气、氮气、氩气、汞、氨等气体。

电火箭发动机由电源、功率转换器、功率调节器、工作流体供给系统和电推力器组成。电源和功率转换器供给电能;功率调节器按预定的程序启动发动机并不断调节电推力器的各种参数,使发动机保持在规定的工作状态;工作流体供给系统储存和输送工作流体;电推力器的作用是将电能转换成工作流体的动能船舶电子与信息设备保养,使其产生高速喷流并产生推力。

根据加速工作液的方式不同,电火箭发动机有电热火箭发动机、静电火箭发动机和电磁火箭发动机三种类型。电热火箭发动机利用电能加热(电阻加热或电弧加热)工作液(氢、胺、肼等),使其气化;经喷管膨胀加速后,由喷管喷出,产生推力。静电火箭发动机的工作液(汞、铯、氢等)由储罐输入电离室电离成离子,再在电极静电场作用下加速成高速离子流,产生推力。电磁火箭发动机利用电磁场加速电离后的工作液,产生喷流,形成推力。电火箭发动机具有极高的比冲(700~2500秒)和极长的寿命(可反复启动数万次,累计工作时间可达数万小时)。 但产生的推力不足10ON,该发动机仅适用于航天器的姿态控制和位置保持。

2.核火箭发动机

核火箭发动机以核燃料为能源,以液氢、液氦、液氨等为工作流体,由装在推力室的核反应堆、冷却喷管、工作流体输送系统和控制系统等组成。在核反应堆中,核能被转化成热能,加热工作流体,加热后的工作流体经喷管膨胀加速后,以6500~1100米/秒的速度从喷管喷出,产生推力。核火箭发动机比冲大(250~1000秒),寿命长,但技术复杂,只适用于长航时航天器。该类发动机目前仍在试验阶段,因为核辐射防护、尾气污染、反应堆控制、高效热交换器设计等问题尚未解决。另外,太阳能加热和光子火箭发动机还处于理论探索阶段。

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