固體火箭和液體火箭有什麼區別?最全面的科普文來了

目前主流的火箭（飛彈）發動機有兩種形式：液體火箭發動機和固體火箭發動機。這也是很多人所津津樂道的內容，但他們的具體區別是什麼，各有哪些優缺點則是很多人所不能一一道來的。

在這裡，機械知網給大家做一個小科普讓大家了解下這兩種類型火箭發動機的區別。

首先來定一個調子，兩種發動機沒有優劣之分，本文不引戰。

先說下液體火箭發動機，很多人認為二戰期間的V-2飛彈是最早的液體火箭發動機，並且德國的技術隨著戰敗被輸出到蘇聯、美國、英國等國家，促進了這些國家的火箭技術發展。這話有點偏頗，最早提出液體火箭發動機構想的國家是俄國，注意不是蘇聯而是沙皇俄國。

在1903年俄國的科學家康斯坦丁·齊奧爾科夫斯基就提出了液體火箭發動機的構想，並給液體火箭發動機一個定性的概念——「液體推進劑比固體推進劑能提供更多能量；液氧/液氫是用於航天飛行的最佳推進劑」，這是從大方向原則上沒有錯的一個概念。並且在沙皇俄國時期齊奧爾科夫斯基也繪製出了液體火箭的原理結構草圖（和目前主流液體火箭並無差別），更驚人的是——他推導出了著名的「火箭方程」！

按照這個概念建立起來的液體火箭在動蕩的沙皇俄國並沒有第一個出現成品，而是在1926年由美國火箭學家羅伯特·戈達德成功的製作出了人類第一枚液體燃料火箭（汽油和液氧）。

當然了，當時這枚火箭只飛了12米半高以及不到57米遠的距離。從現代的眼光來看這枚液體火箭還沒有一枚60mm迫擊炮炮彈飛的遠。

歷史說完了，我們說說結構：

這是一枚V-2飛彈的結構圖，我們可以看到這個飛彈中三個特別顯著的部分中間部位的燃料倉（火箭的油箱）、頭部的載荷以及尾部的火箭噴管。如果再細心一點點的話會發現噴管和燃料倉之間有一套複雜的管路這個部分是火箭的燃料泵。

從這個構成上來講，液體火箭的結構到現在基本上也是100年沒有變動了。它有一個先天的優勢——燃料泵。

現在的液體火箭發動機基本上會將燃料泵和噴管做在一起。

▲RD-170火箭發動機總成

從燃料泵的複雜程度來看現代火箭中最複雜的東西就在這裡了。燃料泵的功能就是從火箭發動機的燃料箱內將燃料和氧化劑高速的抽取到火箭噴管的燃燒室裡面，形成高溫高壓的火箭噴射氣流。

這麼複雜的一個原因在於，如果依靠樹立起來的火箭燃料的重力流到火箭噴管中是供應不了火箭的燃燒的，需要依靠一個燃料泵將燃料和氧化劑從燃料箱中抽取到火箭發動機中。

一般的情況下是在火箭噴管的旁路設置一個引流管道，讓火箭燃氣的一部分進入管道驅動一套渦輪系統旋轉，這個旋轉的渦輪再帶動機械結構的燃油泵高速的抽取燃料到火箭發動機中。

這個泵的抽取量有多高？美國發射的土星-5號火箭第一級火箭發動機S-iC內裝有2000噸煤油和液氧，這個火箭發動機工作的時間是150秒。在150秒內這些燃料都會被燃料泵從燃料箱裡泵到火箭發動機噴管中。平均一秒內到燃料流量為13.3噸。可以輸出33000KN的推力，幾乎等於91架使用WS-15發動機的殲-20開加力的推力總和。

說到這裡大家可以盡情的感嘆液體火箭發動機的強大了，那麼液體火箭發動機真正的優勢除了推力強大之外還有什麼呢？

主要有三點：

1

由於液體火箭發動機的燃料是從燃料罐中抽取出來的，因此液體火箭發動機的燃燒速度更為均勻，可以最大限度的提高火箭發動機的燃燒時間。——火箭在推力不太變化的情況下，越晚關機其關機點速度越快。

2

液體火箭發動機可以在一定範圍內增加或減少燃料，以獲得特定的彈道特性。在發射的靈活度上要大大的強於普通的固體燃料火箭。

3

液體火箭發動機，燃料可控，遇到緊急情況可以剎車（當然了，這是我們的獨有秘籍），我們在發射火箭的時候如果已經點火但火箭還沒有離開發射架的時候出現狀況是可以緊急停車的。

當然了，一個事物有優點就會有缺點，液體火箭也有相應的缺點，主要是：

液體燃料有劇毒，如果是液氫和液氧的火箭燃料就不會有太大的問題。但是由於液氫、液氧存儲和加注都相當的複雜，因此航天工業就退而求其次採用了另外的燃料，這裡就包括了劇毒的偏二甲肼或者是具有強腐蝕性的發煙硝酸等極端材料。

以偏二甲肼為例，這是一種劇毒且性質活躍的五色透明液體，劇毒且不說，其活躍程度到什麼地步呢？看小動圖：

試管裡面是「冰鎮」的火箭氧化劑四氧化二氮氣，這是一種沸點只有23.3攝氏度的棕紅色液體（具有強腐蝕性），在滴入偏二甲肼後立刻燃燒釋放大量氣體並產生大量熱量。

我們還可以注意的一點是偏二甲肼和四氧化二氮接觸就會燃燒期間並沒有點火的過程。這種燃料不僅僅可以和四氧化二氮發生劇烈反應，實際上即便是空氣中的氧氣在一定溫度下也會使偏二甲肼起火燃燒。

對於這種劇毒、易燃、易爆的危險燃料，儲存和加注工作都是對流程有著嚴格且苛刻的要求的。當然了，對於液氫和液氧不僅僅要求更加密封環境和謹慎的操作，還需要一整套設備保證零下250度的液氫和零下183度的液氧處於低溫狀態。這些也都是液體火箭相當複雜且成本高昂的原因。

同時，類似於偏二甲肼不僅僅是劇毒、易燃、易爆而且偏二甲肼和四氧化二氮以及看似安全一些的液氧都還有強烈的腐蝕性，火箭燃料箱內加注後的燃料如果不去使用則會不斷的腐蝕燃料箱，這也就是為什麼液體火箭在發射前十幾個小時才開始加注燃料的原因了。即便是將加注後的燃料再次清空釋放掉，這一枚火箭的燃料箱也難以滿足下次發射的指標要求了。

因此液體火箭發僅僅能滿足「按既定計劃」發射的要求，想做到隨時發射幾乎是不可能的（俄羅斯的R-36彈道飛彈有一些突破）。

最後的缺點則在於造價昂貴——液體火箭發動機噴管和燃料泵多採用錸合金製造。這是一種可以在高溫下保持基本物理特性的合金。但錸是地球上最稀有的金屬，整體上導致了液體火箭發動機的成本高居不下。

液體火箭發動機談完了，咱們說說固體火箭發動機：

固體火箭發動機的結構相對於液體火箭發動機可以說是「簡陋」。僅僅包括藥室和噴管兩個部分。

這種火箭發動機本身可以看作是我們宋代的玩具「穿天猴」的後代。結構和原理上基本上也沒有太多改變。

其基本原理就是點燃藥柱，藥柱燃燒，產生大量高溫氣體推動火箭前進。

由於僅僅為固定形狀的藥柱，固體火箭發動機的性能特性就和藥柱的形狀有最大的關係。

最簡單的理解為，藥柱可以是一個單一的圓柱形狀，從底端開始燃燒燒到末端結束，這種火箭發動機的成功案例就是我們的「穿天猴」了。但對於固體火箭則並不如此，從底端開始燃燒緩慢的燒到頂端火箭的重心會隨著燃燒的時間不斷的前移，導致「穿天猴」的飛行軌跡十分魔幻。

古人還是很有智慧的，一般的情況下會在穿天猴上面綁一根竹棒，相對於火藥燃燒帶來的重心改變就被竹棒的質量給抵償了。竹棒（平衡杆）最大限度的保證了這種原始的固體火箭發飛行的穩定性。這個用「平衡杆」的案例實際上目前還有使用。

主要用在了PRG-7這類單兵火箭彈上面。而實際上這樣來看，RPG-7就是一枚大個的「穿天猴」。

但這樣的問題點在於，我們不可能將所有的固體火箭都放一個平衡杆，畢竟平衡杆的質量換成載荷的質量是更划算的。

因此在固體火箭中就開始設計不同形狀截面的藥柱了，力求藥柱燃燒是一個藥柱在長度上的均一同時燃燒，這樣火箭在飛行中的重心改變就會變化的極小了。

下面是幾種常見的藥柱形狀：

我們可以看到不同的藥柱所產生的推力和燃燒時間的關係。這裡就有一個解釋來說明這樣的關係了——「燃燒表面積」。當固體火箭藥柱燃燒的時候，會從藥柱中心開始向外圍燃燒。如圖1所表現的狀態，燃燒開始的時候中心孔會不斷擴大，這時火箭藥柱燃燒的表面積就會不斷的增加，增加的表面積意味著在同一時間內參與燃燒的發射藥不斷增加，因此推力是隨著時間的推移不斷加大的。

從圖二可以看出的是發射藥截面是一個環形發射藥柱中間放置了柱狀發射藥柱。當環形藥柱向外燃燒不斷擴大表面積的同時，柱狀藥柱會不斷向內燃燒，縮小了自身的燃燒表面積，這時火箭發動機的推力隨著時間的變化並不大。

當然了，不同截面形狀的藥柱都有使用，主要是因為固體火箭發動機的用途不同。

固體火箭發動機也有三個優點：

1

結構簡單造價低廉，相對於液體火箭發動機，固體火箭發動機結構更簡單，並不存在燃料泵等複雜的機械結構，完全是藥室、藥柱和噴管，加工和材料要求都比較低廉，甚至可以用石墨纖維纏繞製成噴管。其價格僅僅相當於液體火箭發動機的1/10-1/20。

2

由於發射藥柱是固體存在，因此藥柱特性比液體火箭發動機燃料更穩定，儲存起來就更加安全。這也是目前為什麼大多數的飛彈選用固體火箭發動機的原因。儲存起來方便，投入使用快捷。

3

容易小型化，結構簡單的固體火箭發動機可以做得很小很輕，這一點對於空軍所用的飛彈則是一個先天優勢。

大部分空對空飛彈都是使用的固體火箭發動機作為主要推進手段，在不過多的增加飛機負載的前提下達到比同等重量的液體飛彈更強的性能（同時易於維護）。

當然有優點就會有缺點，事物的普遍規律嘛，固體火箭發動機由於採用固體裝藥，本身的比衝要比液體火箭發動機低了很多，甚至可有說是遜色很多。

美國為「太空發射系統（SLS）」研製的的固體火箭是目前最大推力的固體火箭（沒有之一），單枚火箭推力可以達到1600噸，真空比衝時間為278.5秒。看起來或許是還算不錯的數據，但和液體火箭發動機來比，例如使用煤油和液氧的梅林發動機，其比衝時間為311秒；而更強的我國發動機則可以達到350秒以上的比衝。

不過想想也可以知道，一枚炮仗的燃燒時間怎麼可以和一小灘油來比呢？比衝時間短是固體火箭的一個硬傷，不過其價格便宜適用性強也讓人們忍受了固體火箭的這一缺點。

所以說，固體火箭或者液體火箭並沒有什麼好於不好的區別，更多的是不同的火箭發動機適應的任務有沒有特定的需求。

本文轉載自公眾號：機械知網

資料來源：軍武資料庫

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原標題：《固體火箭和液體火箭有什麼區別？最全面的科普文來了》

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