通俗比較固體火箭和液體火箭的優缺點

2020-12-04 東城觀星

固體火箭和液體火箭是因為燃料不同而區別的。兩種火箭各有優缺點!

一、固體火箭

先說固體火箭,就是用固體火藥為燃料的火箭。這種火箭最早可以追溯到中國古代的炮仗。很多網友說自己家的竄天猴和二踢腳就是固體火箭,這個說法還真沒毛病。但是現代的固體火箭是一米以上直徑,幾米到幾十米高的大傢伙,使用更高效的固體火箭燃料(HTPB或PBAN)。它有以下幾個優點:

1.推力大。固體火箭的推力比同尺寸液體火箭高很多。比如目前海平面推力最大的3.7米直徑液體火箭,美國spaceX公司的獵鷹9號起飛推力680噸左右(通過九臺發動機並聯實現)。而美國的3.7米直徑固體發動機推力可達1600噸,用做重型火箭SLS的助推器。印度3.2米直徑固體助推器推力500多噸,也比中國長徵五號3.35米直徑液體助推器240噸(兩臺發動機並聯)高很多。固體火箭適合當助推器使用,給火箭提供強大的起飛推力。

2.發射便捷。固體火箭生產時就可澆築好燃料,發射前無需再加燃料。相對於液體發動機來說,發射時需要做的準備工作很少,可以說支起來就能發射。其準備發射的時間短,可以在短時間內發射,適合應急發射衛星和飛彈。其機動性非常好,不必要到專門的發射場進行發射,可以車載機動發射和海上發射。固體火箭特別適合隱蔽設伏的飛彈使用,機動性和隱蔽性好,戰場生存能力強,震懾力也強。同時,固體火箭還可以在水下工作,適合製作潛射飛彈。

3.結構簡單。固體火箭發動機比液體發動機結構簡單得多,無需複雜的內部結構,只需要結實的外殼裡面弄好隔熱層以後澆築燃料。在燃料凝固以後,把燃料中心沿火箭軸向(長徑方向,見示意圖)挖出一條通道,在給藥柱內部通道雕刻一定的形狀(圓形或星型等),以便火箭點火後可以大面積快速穩定燃燒,形成強大的噴流。火箭尾部不是笨重而複雜的發動機,只是一個耐高溫的噴管。也就是說,整個火箭就是一個發動機。這種簡單的結構,研發起來要比液體發動機簡單得多。相對來說,固體火箭研發成本要比液體火箭發動機低很多。

當然,固體火箭發動機也有缺點:

1.燃燒時間短,比衝小。固體發動機推力雖大,但燃燒時間特別短。單級固體火箭工作時間最長的也就2分鐘多一點,對於發射衛星來說是遠遠不夠的。比如長徵五號乙火箭發射近地軌道飛船,一共使用了8分多鐘,而長徵五號發射地球同步軌道衛星用了2000多秒,也就是30多分鐘。所以,固體火箭發射衛星,往往需要多級串聯,一級燒完拋掉,下一級再接力。比衝小,也是固體發動機的一大缺點,後面講液體發動機的時候再做詳細比較。

2.推力不可調,燃燒不穩定。固體發動機一旦點火,中間不能熄火,也難以調整推力大小。這對於精準控制的太空發射來說是不利的,需要進行結構調整才能實現推力可調。目前只有飛彈使用的固體發動機實現了一定程度的推力調整,但遠不如液體發動機靈活機動。另外,固體火箭燃燒過程並不均勻,也不太穩定,到了後期推力很小,這些都是不可控因素。

3.燃料成本高,儲存有風險。固體火箭的燃料成本要高於液體火箭,這是共識。另外,固體火箭在儲存的過程中,要注意安全。畢竟是帶藥儲存,一個不慎,可能成為大炸彈。還有,固體火藥對空氣溼度、溫度等儲存條件都有要求,且不能長時間儲存,時間太長火藥會失效。

二、液體火箭

再說說液體火箭,就是使用液體燃料的火箭,它需要專門的發動機推動。目前主要的液體燃料有偏二甲肼/四氧化二氮、煤油/液氧、甲烷/液氧、液氫/液氧。液體火箭的優點有:

1.發動機燃料比衝高。液體發動機的比衝一般都在300秒以上,液氫發動機比衝最高,最高能達到450秒左右。比衝高,通俗來講就是噴火速度快,給火箭提供的反推效果更好。在起飛階段,比衝高的優勢不算太明顯,但到了高空加速時,比衝高的優勢就會很明顯。各國發射高軌道衛星的火箭最後一級都喜歡用液氫液氧發動機,因為目前液氫燃燒的最高。(等離子發動機比衝超過了液氫燃燒,但目前推力太小不適合做火箭發動機)。

獵鷹9號火箭第二級使用煤油發動機,雖然降低了成本,但它地球同步轉移軌道(GTO)的運力也打了折扣。在近地軌道(LEO)運力跟長徵五號乙差不多的情況下,地球同步轉移軌道運力只有5.5噸,就算火箭一級不回收也只有8.3噸。長徵五號的地球同步轉移軌道運力達到14噸。這跟煤油發動機比衝小不無關係。而固體發動機往往小於300秒(280秒算是比較高的了),比所有的液體發動機都小,顯然有一定的局限性。

2.推重比大。液體火箭,推重比遠遠高於固體火箭。固體火箭雖然推力大,但運力卻不大,主要原因就是推重比小,同樣重量的固體火箭運力遠小於液體火箭(詳見東城觀星的火箭系列視頻)。所以,已有的重型火箭都是以液體發動機為主,還沒有一個以固體發動機為主的重型火箭。固體發動機可以做助推器,在起飛階段提供助力,一旦飛到高空還是液體發動機優勢大。

3.推力可調,關機和啟動靈活。液體發動機通過流量調節可以實現推力調節,甚至可以實現大幅度調節推力。像我國嫦娥三號和嫦娥四號使用的液體發動機就可以實現大幅度推力調節,成功實現了月面軟著陸。此外,液體發動機可以中途關機,滑行一段時間以後可以再點火。這對於高軌道發射和太空飛行器軌道調節來說非常重要。

4.燃料成本低,回收再使用優勢大。液體發動機燃料成本比較低,像煤油和甲烷成本都是很低的,比固體燃料便宜很多。液體火箭發動機研發和生產成本都是比較高的,但如果實現回收再利用,則成本優勢就會很明顯。目前美國spaceX公司已經可以穩定回收第一級火箭了,其發動機經過簡單的維護後可以再次投入使用,大大降低了發射成本。固體火箭目前只有太空梭的固體助推器實現了傘降回收,經過休整也可以實現再利用。但固體火箭的回收再利用成本效應並不明顯,可以說節省不了太多的費用(畢竟只回收一個外殼,內部還需要大修才能使用)。

液體發動機的缺點主要是研發成本高、發動機結構複雜、生產成本也高。固體發動機通過增加半徑就可以實現推力快速提升,雖然有一些困難但相對較小。而液體發動機想提高推力,工程技術、結構、材料等方面都要複雜得多。相對於固體發動機來說,液體發動機的故障率也略高一些。還有就是,液體火箭準備起來複雜一些。每次發射都要臨時灌裝燃料,發射準備時間長,發射場需要建設大量的管路,需要很多的工作人員,可以說發射準備成本比較高。

本人也製作了相關視頻,裡面有更詳細的數據,大家可以相互印證,增加認知。

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