火箭发动机基本原理

迄今为止，人类从事的最神奇的事业就是太空探索了。它的神奇之处很大程度上是因为它的复杂性。太空探索是非常复杂的，因为其中有太多的问题需要解决，有太多的障碍需要克服。但在所有这些问题中，最重要的还是如何产生足够的能量使太空船飞离地面。于是火箭发动机应运而生。以下是小编为你整理的火箭发动机基本原理的相关资料，希望能帮到你。

火箭发动机基本原理

当大多数人想到马达或发动机时，会认为它们与旋转有关。例如，汽车里的往复式汽油发动机会产生转动能量以驱动车轮。电动马达产生的转动能量则用来驱动风扇或转动磁盘。蒸汽发动机也用来完成同样的工作，蒸汽轮机和大多数燃气轮机也是如此。

火箭发动机则与之有着根本的区别。它是一种反作用力式发动机。火箭发动机是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的，该定律认为“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。火箭发动机向一个方向抛射物质，结果会获得另一个方向的反作用力。

火箭发动机通常抛射的是高压气体形式的物质。发动机向某个方向喷出气体物质，以获得相反方向的反作用力。这些物质来自火箭发动机燃烧的燃料。燃烧过程使燃料物质得以加速，使之以极高的速度从火箭喷口喷出。燃料在燃烧过程中由固态或液态转化为气体，但并不会使其质量发生变化。

火箭发动机的“力量”称为推力。在美国，推力的单位是“推力磅数”，而在公制中则以“牛顿”为单位(4.45牛顿的推力与1磅推力相近)。1磅推力相当于使地球上质量为1磅的物体克服重力作用以保持静止所需的推力。

固体燃料火箭发动机

固体燃料火箭发动机是人类制造的第一种发动机。它在几百年前由中国人发明，从那以后一直得到广泛的应用。美国国歌(创作于19世纪初)中有“火箭发出红焰”这句歌词，它说的是用来发射炸弹或燃烧弹的小型军用固体燃料火箭。由此可以看出固体燃料火箭已经有了相当长的使用历史。它是圆柱形的，中间被钻出一条管道。当点燃燃料时，它将沿着管道内壁燃烧。在这一过程中，燃料会朝着外壳的方向向外燃烧，直到所有燃料燃尽为止。

在小型火箭发动机模型或瓶式微型火箭中，燃烧的持续时间可能只有一秒钟或更短。在一部装有100万磅燃料的航天飞机SRB中，燃烧过程将持续约两分钟。

固体燃料火箭发动机有三个重要的优点：

简单；

成本低；

安全。

它们也有两个缺点：

无法控制推力。

一旦点火，发动机无法停止或重新启动。

这些缺点意味着固体燃料火箭只能用于短期任务(如导弹)或推进器系统。如果您需要控制发动机，则必须使用液体推进剂系统。下面我们来了解这方面的知识及其他可能的燃料。

1926年，罗伯特·高德进行了第一台液体推进剂火箭发动机的测试。他的发动机使用了汽油和液氧。他还研究并解决了火箭发动机设计领域的许多基本问题，包括燃料抽运机制、冷却策略和导向装置的布局。这些问题也是导致液体推进火箭如此复杂的原因。

火箭发动机的基本原理很简单。在大多数液体推进剂火箭发动机中，燃料和氧化剂(如汽油和液氧)会被抽取到燃烧室中。在那里，它们会燃烧并产生一股速度极快的高压热蒸汽。这些蒸汽流过一个喷口以便进一步提高它们的速度(喷出时的速度通常为8,000-16,000公里/小时))，之后就会离开发动机。

液体推进剂火箭发动机可以使用各种类型的燃料组合。例如：

液氢和液氧——用在航天飞机的主发动机中;

汽油和液氧——用在高德制造的早期火箭中;

煤油和液氧——用在阿波罗计划的土星五号大型推进器的第一级中;

酒精和液氧——用在德国的V2火箭中;

四氧化氮/甲基肼——用在卡西尼号探测器的发动机中。

其他可能的组合

我们经常见到化学火箭发动机靠燃烧燃料来产生推力。不过，还有许多其他方法可以产生推力。

许多火箭发动机的体积很小。例如，人造卫星上的姿态推进器无需产生太大的推力。人造卫星常用的一种发动机设计是高压氮气推进器，它完全不使用“燃料”，而只是通过喷口将罐中的氮气喷出。像这样的推进器不但能使太空实验室停留在轨道上，而且可以用在航天飞机和载人机动系统中。

离子推进发动机是第一种用作太空船的主要推进手段的非化学推进装置。