火箭发动机是如何工作的

在密西西比州汉考克县的约翰·C·斯滕尼斯航天中心进行试射时，一台远程摄像机拍摄到了一架航天飞机主机的特写镜头。

照片礼貌国家航空和航天局

想象一下这样的情况:你戴着一个航天服而你在太空中漂浮航天飞机；你手里碰巧拿着个棒球。

如果你扔棒球运动，你的身体会做出反应，向球的相反方向移动。控制你身体移动速度的东西是重量你投的棒球的数量和加速度你要应用它。质量乘以加速度是力(f = m *)。无论迫使你适用于棒球将由一个完全相同的反应平衡的力量应用于你的身体(m * = m *)。假设棒球重量1磅,和你的身体加上宇航服重100磅。你以每秒32英尺(21英里)的速度扔出棒球。也就是说，你用手臂加速1磅的棒球，它的速度是21mph。你的身体会有反应，但它的重量是棒球的100倍。因此，它以棒球速度的百分之一，即0.32英尺/秒(0.21英里/小时)的速度移动。

如果你想创造更多刺从你的棒球，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，或者一个接一个地扔几个棒球（增加质量），或者你可以扔得更快（增加加速度）。但这就是你所能做的。

火箭发动机的质量一般是以加速度的形式抛出的高压气体．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，让我们了解更多有关推力的信息。

火箭发动机的“强度”被称为“强度”刺．推力在美国用“磅推力”来衡量，在公制下用牛顿来衡量(4.45牛顿推力等于1磅推力)。一磅的推力是使一个1磅重的物体在外力的作用下保持静止所需要的推力重力世界上等等世界在美国，重力加速度为每秒32英尺(21英里/秒)。如果你在太空中漂浮着一袋棒球如果你以每秒21英里的速度扔出一个棒球，你的棒球将产生相当于1磅的推力。如果你以42英里每小时的速度扔棒球，那么你将产生2磅的推力。如果你以2100英里每小时的速度扔出去(也许是用某种棒球枪射出来的)，那么你会产生100磅的推力，以此类推。

火箭有一个有趣的问题，那就是发动机想要投掷的物体实际上有重量，而火箭必须携带重量。假设你想通过每秒以2100英里/小时的速度投掷一个棒球，在一小时内产生100磅的推力。这意味着你必须从3600个1磅重的棒球开始（一小时有3600秒），或者3600磅重的棒球。因为你的体重只有100磅宇航服，你可以看到你的“燃料”的重量比有效载荷（你）的重量要小。事实上，燃料的重量是有效载荷的36倍。这是很常见的。这就是为什么现在你必须要有一个巨大的火箭才能把一个矮小的人送入太空——你必须携带大量的燃料。

你可以在航天飞机上清楚地看到重量方程。如果你看过航天飞机发射，你就会知道有三个部分：

轨道器的重量为165000磅。外罐重78100磅，空罐。两个固体火箭推进器各重185000磅。但是你必须把燃料装进去。每个SRB拥有110万磅的燃料。外部储罐可容纳143000加仑液氧（1359000磅）和383000加仑液氢（226000磅）。整个飞行器——航天飞机、外部坦克、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。440万磅在轨道上获得165000磅的重量是一个相当大的差别！平心而论，轨道飞行器也可以携带65000磅的有效载荷（最大尺寸为15 x 60英尺），但这仍然是一个很大的区别。燃料的重量几乎是轨道器的20倍[来源：航天飞机操作手册]。

所有这些燃料都以6000英里/小时的速度从航天飞机的后部排出（化学火箭的典型火箭排气速度在5000至10000英里/小时之间）。SRB燃烧约两分钟，每次发射时产生约330万磅推力（燃烧期间平均产生265万磅推力）。三台主机（使用外部油箱中的燃油）燃烧约八分钟，在燃烧过程中每台主机产生375000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。

点火前后的固体燃料火箭

固体燃料火箭发动机是人类创造的第一台发动机。它们是几百年前在中国发明的，从那时起被广泛使用。国歌（写于19世纪初）中关于“火箭的红光”的台词是指用于发射火箭的小型军用固体燃料火箭炸弹或燃烧装置。所以你可以看到火箭已经使用了一段时间。

简单的固体燃料火箭背后的想法很简单。你要做的是创造一种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。在火箭引擎中，你不希望发生爆炸——你希望能量在一段时间内更均匀地释放。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，你得到的不是火药，而是一种简单的火箭燃料。这种混合物会燃烧得很快，但如果装得合适，它不会爆炸。这是一个典型的横截面:

左边是点火前的火箭。固体燃料显示为绿色。它是圆柱形的，中间钻有一根管子。当你点燃燃料时，它沿着管壁燃烧。当它燃烧时，它向外壳向外燃烧，直到所有的燃料都燃烧完毕。在一个小型模型火箭发动机或在一个小瓶子火箭燃烧可能会持续一秒钟或更少。在一架载有超过一百万磅燃料的航天飞机SRB中，燃烧持续约两分钟。

当你读到先进的固体燃料火箭，比如航天飞机的固体火箭助推器，你经常会读到这样的内容:

本段不仅讨论燃油混合气，还讨论在燃油中心钻取的通道的配置。“11点星形穿孔”可能如下所示：

其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，形状变为一个圆形。在SRBS的情况下，在发动机的中途给发动机高的初始推力和较低的推力。

固体燃料火箭发动机有三个重要的优点:

它们也有两个缺点:

这些缺点意味着固体燃料火箭适用于寿命较短的任务(比如导弹)或用于助推器系统。当你需要能够控制发动机时，你必须使用液体推进系统。接下来我们将学习这些和其他可能性。

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发射。它只飞行了2.5秒，爬了41英尺，降落在184英尺外的一片卷心菜地上。

照片礼貌国家航空和航天局

1926年，罗伯特·戈达德测试了第一个液体推进剂火箭发动机。他的引擎使用汽油和液态氧。他还研究并解决了火箭发动机设计中的一些基本问题，包括泵送机制、冷却策略和转向安排。正是这些问题使得液体推进剂火箭如此复杂。

基本思想很简单。在大多数液体推进剂火箭发动机中，燃料和氧化剂（例如汽油和液氧）被泵入燃烧室。它们在那里燃烧，产生高压高速的热气流。这些气体通过喷嘴进一步加速（典型的出口速度为5000至10000 mph），然后离开发动机。以下高度简化的图表显示了基本组件。

此图未显示典型引擎的实际复杂性（有关真实引擎的良好图像和说明，请参阅页面底部的一些链接）。例如，燃料或氧化剂通常为冷液化气体，如液氢或液氧。液体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，以克服燃烧室中燃烧燃油产生的压力。航天飞机上的主发动机实际上使用两个泵级并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发动机看起来更像是一个失控的管道工程，而不是其他任何东西——看看上面的发动机本页明白我的意思。

液体火箭发动机使用各种燃料组合。例如:

这张氙离子发动机的照片是通过NASA喷气推进实验室测试的真空室的一个端口拍摄的，显示了发动机发出的带电荷原子的微弱蓝光。离子推进发动机是第一台作为主要推进航天器的非化学推进装置。

照片礼貌国家航空和航天局

我们已经习惯看到化学火箭发动机燃烧燃料来产生推力。然而，还有许多其他方法来产生推力。任何有质量的系统都可以。如果你能想出加速的办法棒球要达到极高的速度，就需要一个可行的火箭引擎。这种方法的唯一问题是棒球的“排气”(高速棒球)在太空中流动。这个小问题使得火箭发动机设计者倾向于使用废气。

许多火箭发动机都很小。例如，发动机上的姿态推进器卫星不需要产生太大的推力。在卫星上发现的一种常见的发动机设计根本不使用“燃料”--加压氮气推进器只需通过喷嘴将氮气从储罐中吹出即可。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操纵系统。

新的发动机设计正在努力寻找加速的方法离子或原子粒子以极高的速度更有效地产生推力。美国宇航局的深空1号宇宙飞船是第一个使用离子发动机进行推进的飞船[来源:SPACE.com］．有关等离子体和离子发动机的更多讨论，请参阅本页。

有关火箭引擎和相关主题的更多信息，请查看下一页的链接。