火箭发动机的工作原理

在美国密西西比州汉考克县的约翰·c·斯坦尼斯航天中心，一台远程摄像机捕捉到了航天飞机主发动机点火测试过程中的特写镜头。

摄影礼遇美国国家航空航天局

想象一下下面的情况：你穿着太空服而你正漂浮在天空中航天飞机你手里碰巧拿着一个棒球。

如果你把棒球，你的身体就会向球的相反方向移动。控制你身体移动速度的是重量你投掷的棒球的数量加快你要申请它。质量乘以加速度就是力（f=m*a）。你在棒球上施加的任何力量都会被施加在你身体上的相同反作用力（m*a=m*a）所平衡。假设棒球重1磅，你的身体加上宇航服重100磅。你以每秒32英尺（21英里）的速度扔掉棒球。也就是说，你用你的手臂加速1磅重的棒球，使它获得21英里/小时的速度。你的身体会有反应，但它的重量是棒球的100倍。因此，它的移动速度是棒球的百分之一，即每秒0.32英尺（0.21英里/小时）。

如果你想创造更多推力从你的棒球，你有两个选择:增加质量或增加加速度。你可以扔一个更重的棒球或一个接一个地扔几个棒球(增加质量)，或者你可以扔得更快(增加它的加速度)。但这就是你所能做的。

火箭发动机通常以火箭的形式抛掷质量高压气体．发动机向一个方向排出气体质量，以得到反方向的反应。质量来自于火箭发动机所燃烧的燃料的重量。燃烧过程加速燃料质量，使其以高速从火箭喷管中喷出。燃料燃烧时从固体或液体变成气体的事实并没有改变它的质量。如果你燃烧一磅火箭燃料，一磅废气会以高温、高速气体的形式从喷管中出来。形式改变了，但质量不变。燃烧过程加速了质量。

接下来让我们学习更多关于推力的知识。

火箭发动机的“强度”被称为推力. 在美国，推力的测量单位为“磅推力”，公制单位为牛顿（4.45牛顿推力等于1磅推力）。一磅推力是使一磅物体在外力作用下保持静止所需的推力重力究竟等等地球，重力加速度为每秒32英尺（每秒21英里）棒球如果你以每小时21英里的速度每秒扔掉一个棒球，你的棒球将产生相当于1磅的推力。如果你以42英里/小时的速度投掷棒球，那么你将产生2磅的推力。如果你以2100英里/小时的速度投掷它们（也许是用某种棒球枪射出），那么你将产生100磅的推力，以此类推。

火箭遇到的一个有趣的问题是引擎要抛出的物体确实很重，而火箭必须携带这个重量。假设你想以2100英里/小时的速度每秒扔一个棒球，每小时产生100磅的推力。这意味着你必须从3600个1磅重的棒球开始(一个小时有3600秒)，或者3600磅的棒球。因为你只有100磅重航天服，你可以看到“燃料”的重量使有效载荷(你)的重量相形见绌。事实上，燃料的重量是有效载荷的36倍。这很常见。这就是为什么你现在必须有一个巨大的火箭把一个小的人送入太空——你必须携带大量的燃料。

你们可以很清楚地看到航天飞机上的重量方程。如果你看过航天飞机发射，你就知道它有三个部分:

空轨道飞行器重16.5万磅。外部燃料箱的重量为78100磅。这两个固体火箭助推器各自空着18.5万磅。然后你得装上燃料。每个SRB可装载110万磅燃料。外部燃料箱可容纳14.3万加仑液氧(135.9万磅)和38.3万加仑液氢(22.6万磅)。整个飞行器——航天飞机，外部燃料箱，固体火箭助推器外壳和所有燃料——在发射时总重量为440万磅。440万英镑和16.5万英镑在轨道上是一个相当大的差异!公平地说，轨道飞行器也可以携带65,000磅的有效载荷(最大15 × 60英尺大小)，但这仍然是一个很大的差异。燃料的重量几乎是轨道飞行器的20倍[来源:航天飞机操作手册]。

所有的燃料以大概6000英里每小时的速度从航天飞机后部排出(化学火箭的典型排气速度在5000到10000英里每小时之间)。srb燃烧大约两分钟，在发射时产生大约330万磅的推力(燃烧期间平均265万磅)。三个主引擎(使用外部燃料箱中的燃料)燃烧了大约8分钟，每个引擎在燃烧过程中产生了37.5万磅的推力。

在下一节中，我们将研究固体燃料火箭中的特殊燃料混合物。

固体燃料火箭在点火前后的一种

固体燃料火箭发动机是人类发明的第一批发动机。中国几百年前发明了筷子，从那时起就被广泛使用。国歌(写于19世纪初)中关于“火箭的红光”的那句话是指用于运载的小型军用固体燃料火箭炸弹或者燃烧装置。所以你可以看到火箭已经使用了很长一段时间了。

一个简单的固体燃料火箭背后的想法很简单。你想做的是创造一些燃烧很快但不会爆炸的东西。你可能知道，火药会爆炸。火药由75%的硝酸盐、15%的碳和10%的硫组成。在火箭发动机中，你不想爆炸——你希望释放更多的能量在一段时间内燃烧。因此，你可以将混合物改为72%硝酸盐、24%碳和4%硫。在这种情况下，你可以使用简单的火箭燃料代替火药。这种混合物燃烧速度非常快，但如果装载正确，它不会爆炸。下面是一个典型的横截面：

左边是点火前的火箭。固体燃料用绿色表示。它是圆柱形的，中间钻了一根管子。当你点燃燃料时，它沿着管壁燃烧。当它燃烧时，它向外燃烧，直到所有的燃料都燃烧完。在小型火箭发动机模型或小瓶火箭中，燃烧可能持续一秒钟或更少。在载有超过一百万磅燃料的航天飞机SRB中，燃烧大约持续两分钟。

当你读到先进的固体燃料火箭，如航天飞机的固体火箭助推器时，你经常会读到如下内容：

这一段不仅讨论了燃料混合物，而且还讨论了在燃料中心钻出的通道的配置。一个“11点星形穿孔”看起来是这样的:

这个想法是增加通道的表面积，从而增加燃烧面积，从而增加推力。当燃料燃烧时，形状逐渐变平成为一个圆圈。在srb的情况下，它给引擎很高的初始推力和较低的推力在飞行的中间。

固体燃料火箭发动机有三个重要的优点：

它们还有两个缺点：

这些缺点意味着固体燃料火箭对于寿命较短的任务（如导弹)，或助推器系统。当您需要能够控制发动机时，必须使用液体推进剂系统。我们将在下一步了解这些和其他可能性。

1926年3月16日，罗伯特·h·戈达德博士和他的液氧-汽油火箭在马萨诸塞州奥本点火。它只飞行了2.5秒，爬了41英尺，降落在184英尺外的一块卷心菜地里。

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1926年，罗伯特·戈达德测试了第一台液体推进剂火箭发动机汽油他还研究并解决了火箭发动机设计中的一些基本问题，包括泵送机构、冷却策略和转向装置。这些问题使液体推进剂火箭变得如此复杂。

其基本思想很简单。在大多数液体火箭发动机中，燃料和氧化剂(例如，汽油和液氧)被泵入燃烧室。在那里，它们燃烧产生一股高压、高速的热气流。这些气体通过喷嘴进一步加速(典型的出口速度为每小时5000到10000英里)，然后离开引擎。下面高度简化的图表向您展示了基本组件。

这个图表并没有显示典型引擎的实际复杂性(请参阅页面底部的一些链接，以获得真实引擎的良好图像和描述)。例如，燃料或氧化剂通常是液态氢或液态氧这样的冷液态气。液体推进剂火箭发动机的一个大问题是冷却燃烧室和喷嘴，因此低温液体首先在过热部件周围循环以冷却它们。泵必须产生极高的压力，以克服燃烧燃料在燃烧室中产生的压力。航天飞机的主引擎实际上使用两个泵级燃烧燃料来驱动第二级泵。所有这些泵送和冷却使得一个典型的液体推进剂引擎看起来更像一个失控的管道工程——看看引擎这个页面明白我的意思。

液体推进剂火箭发动机中使用了各种燃料组合。例如：

这张氙气离子发动机的照片，是通过真空室的一个端口拍摄的，当时正在NASA的喷气推进实验室进行测试。照片显示了发动机发射出的带电原子的微弱蓝光。离子推进发动机是第一种非化学推进装置，被用作推进宇宙飞船的主要手段。

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我们习惯于看到化学火箭发动机通过燃烧燃料来产生推力。但是，还有许多其他的方法来产生推力。任何抛掷质量的系统都可以。如果你能找到加速的方法棒球对于极高的速度，你会有一个可行的火箭发动机。这种方法的唯一问题是棒球“排气”（当时的高速棒球）在太空中流动。这个小问题导致火箭发动机设计师倾向于使用排气产品。

许多火箭发动机都很小。例如，开启姿态推进器卫星不需要产生很大的推力。卫星上常见的一种发动机设计根本不使用“燃料”加压氮气推进器简单地通过喷嘴将氮气从容器中吹出。像这样的推进器使太空实验室保持在轨道上，也用于航天飞机的载人机动系统。

新的发动机设计正试图找到加速的方法离子或原子粒子达到极高的速度，以更有效地产生推力。美国宇航局的深空一号航天器是第一个使用离子发动机推进的航天器[来源：SPACE.com].有关等离子和离子发动机的更多讨论，请参见本页。

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