從發動機到推進器噴嘴的設計,火箭升空核心點並不是帶多少燃料

2020-12-22 漫話吱吱吱

在火箭科學中的概念,往往讓人覺得生澀且非常難理解。

吱吱哥接下來將科學簡單地介紹火箭火箭發動機,所採用的技術。

為了能夠飛行,火箭必須以的速度向外噴射大量物質

這就是牛頓第三運動定律,火箭所噴射出物質的動量越大,火箭受到的反作用力也就是推力,就會越大。

為了讓火箭以很高的速度向外噴射物質,就需要在火箭的燃燒室裡燃燒液體燃料助燃劑的混合物。

燃燒室通過巧妙的設計,提高液體燃料和助燃劑混合物的高效燃燒,然後將燃燒產生的氣體噴出。

如何有效利用燃燒效能

高速噴出的氣流,將經過特殊形狀的火箭噴嘴。

火箭噴嘴的作用是進一步提高氣體噴射的速度,從而提高火箭推力。

這種噴嘴稱作:拉伐爾噴嘴漸縮漸闊噴嘴)。

速度達到亞音速的氣流,經過這種噴嘴後,將以超音速高速噴出。

液體燃料進入燃燒室之前,會圍繞整個噴嘴流動,一方面幫助降低噴嘴蓋的溫度,另一方面對液體燃料進行必要的預熱,起到節能和提高燃燒效率的作用。

左邊為拉伐爾噴嘴,右邊是力衰減分析

為了能夠將足夠的燃料和助燃劑輸送到燃燒室內,火箭一般會設置了兩個泵。

這種泵由渦輪驅動,渦輪和泵都連接到同一個軸上,渦輪和泵的組合稱作「渦輪泵」。

氣體發生器產生高溫氣體,高溫氣體驅動渦輪,燃料旁路的渦輪泵和助燃劑旁路的渦輪泵將燃料和助燃劑注入燃燒室進行燃燒,然後從渦輪中排出的氣體,與火箭燃燒室排出的氣體匯合噴射而出。

火箭也會配備有發動機,這種火箭發動機具體叫作:液體推進劑火箭發動機。這種發動機產生的動力和穩定性,迄今為止是最好的。

火箭發動機所需的燃料和助燃劑,分別存儲於兩個罐體中。

火箭發動機

升空時,僅僅由主發動機所產生的推力是不夠讓火箭擺脫地球引力的。所以,一般會使用若干捆綁式固體推進劑助推器幫助火箭升空。

火箭在地面的起始速度為0,需要加速到大約28000公裡/小時才能成功地擺脫地球引力,到達軌道。

固體推進劑助推器的燃料很快就會燒光。燒光後,固體推進劑助推器會被丟棄,以減輕火箭的重量。

這個過程稱作「火箭分級」。

主發動機燃料燒完後也會脫離火箭,然後下一級的發動機接手動力輸出。

這樣逐步減輕火箭重量,從而獲得更大的加速度。

經過若干級的運行,有效的火箭負載將被送到預定軌道。

成功發射的火箭中,最多的有5級

火箭分級示意

那麼,火箭自己是如何進行操縱到達目的地的呢?

最現代和常見的技術,稱作「萬向推力」。

火箭噴嘴通過高精度設備控制,傾斜一定角度,當推力偏離正常角度

,則會產生轉矩,使得火箭體發生轉動,轉動到預定的角度後,將萬向器的角度設置為初始角度,這一系列控制完成後,火箭也完成了轉向操作。

希望這篇文章對你了解火箭和火箭發動機的工作原理有所幫助。

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