漫谈火箭发动机

冯文澜

1944年9月1日英国伦敦遭到了一次剧烈的轰炸。但是防空观察站事先丝毫没有搜索到任何迹象而来不及发出空袭警报。这就是法西斯德国从荷兰发射的“V－2”导弹(见图1)。“V－2”意即“复仇－2号”，其速度之高(每小时5400公里)，在当时是完全出人意料的。德寇在垂死时把希望寄托在这新式武器上，在罗德豪逊地方建筑了一个地下导弹工厂。隧道长达2公里，在劳动力极端缺乏的情况下还有三万工人在那儿工作。

图1V－2火箭

V－2发动机的推力约达25吨，飞行中可发出最大功率50万马力。用的燃料是液态氧和浓度为75%的酒精，而发动机经济性最主要的参数——单位推力=推力/流量在当时只达200。

战后，美国收罗了大批纳粹火箭专家，包括“V－2”设计者布朗恩在内，以及火箭战利品，这样，美国的火箭技术就开始发展。在布朗恩领导下设计了“红石号”火箭(即“丘辟特－A”)，它和“V－2”相似，只是推力加大到32吨，将燃料中酒精的浓度提高到90%以上，因而单位推力也就提高了。

1957年8月苏联发射洲际导弹成功，接着又发射了人造地球卫星和宇宙火箭，使火箭技术发展史上展开了光辉的一页。齐奥尔考夫斯基的理想开始实现了，还在50多年前他就曾预言火箭发动机将是星际航行唯一的工具，而且第一个提出了方案图。

火箭发动机的特点，首先在于燃料中包含有燃烧剂和氧化剂。不像喷气发动机中氧化剂取自大气中的氧，而大气中大部分为氮气，氧气仅占五分之一，因此火箭发动机的化学能浓度极高。也就是说发动机虽很轻可是却能发出几十甚至几百万马力，同时不受高度影响，可在真空中飞行，因它不需要外界供给空气。所以是星际航行唯一可能的工具。

火箭发动机按燃料来分，有固体燃料火箭(图2)和液体燃料火箭二种。固体燃料直接放在燃烧室中，点火药通电燃着后，就使固体燃料沿一定面积燃烧，直到烧完为止。由于燃料放在容积有限的燃烧室内，故工作时间一般不超过25秒，使火箭航程受到限制。此外，由于燃烧室没有冷却，固体燃料必须在较高压力下才能稳定燃烧；以及燃料热值较低等原因，不适合使用于大型火箭上。但必须指出，由于固体燃料等方面新的成就，使此类发动机的应用范围愈来愈扩大。

图2固体燃料火箭发动机

液体火箭发动机动力装置的构造如图3所示，可以分为发动机室和供应系统两大部分。燃烧剂和氧化剂的供入燃烧室是靠二个离心泵来供应的。离心泵由涡轮来带动。燃料经过燃料活门流向燃烧室。其中之一先经发动机冷却套进行再生冷却，然后由喷嘴喷入燃烧室。下面分开几个问题谈一下：

图3液体火箭发动机装置简图

(一)燃料：是发动机工作的能源，又是借以产生推力的质量源。火箭整个容积的50%至90%为燃料所充满，所以有人把它叫作“飞行油箱”。衡量燃料好坏的标准是单位推力。所谓单位推力是指在每秒内燃烧该燃料1公斤所获得的推力(以公斤计)。目前远程火箭都无例外地用液态氧作为氧化剂。因为它几乎全部是氧元素。它的特点是沸点很低(－183℃)，使用时大量蒸发，故充填液氧后火箭应很快发射，显然这种火箭不适于作防空用。由于液氧很冷，和普通材料接触就会使该材料冷脆，滴在皮肤上会引起冻伤。故在使用时必须注意，还应该特别注意防火。过去用浓度较低的酒精作燃烧剂，液氧作氧化剂。这是由于受当时技术条件限制，首先是保证燃烧室可靠的冷却。火箭技术逐渐发展以后，便能采用浓度较高的酒精。现代很多大型火箭还可用煤油作燃烧剂，使燃烧室中温度高达3500°K左右。所以燃烧室的构造就应大大改进以保证冷却。如今很多燃烧室用镍合金的细管子绕成或编排组成，管中通过冷却剂。

此外，还有用硝酸作为氧化剂的。它的含氧量当然要小。但比重较大。它侵蚀性很强。一般中小型火箭上用得很多(如空蜂号，奈克第二级等)。

除了用氧作氧化剂外，液态氟也颇有前途。它是化学性很活泼的一种低沸点(－187℃)氧化元素。在液态情况下氟只和白金、金、铜不起氧化。氟本性剧毒，但如用氟＋胺作燃料时，其单位推力可达340。而目前单位推力最高的为液氧＋煤油只在260左右。用氟的困难在于其使用不方便和会使燃烧室中温度过高，达4500°K左右，目前这一困难还未解决。

(二)燃烧室：

火箭发动机本身由燃烧室和超音速喷管两部组成(见图4)。燃烧室常为圆柱形，也有球形或梨形的。在其头部安装有离心式或直流式的喷嘴。燃料经喷嘴喷出后即雾化，蒸发，混合而燃烧。大型火箭每秒钟进入燃烧室的燃料达一二百公斤，因此燃烧室及喷嘴的设计问题十分复杂。到目前为止，单个燃烧室能发出的最大推力大约不超过70吨左右。为了要有更高的推力，可将几个燃烧室组合在一起同时工作。

图4火箭发动机简图

一个燃烧室从设计到制造成功，须要解决很多原理上、构造上、材料上和工艺上的问题，要进行大量的局部和整体试验。火箭发动机只有试车完全成功后才能进行发射。

因为很多发动机采用了非自燃燃料，所以燃烧室在工作前就应点火。这须要较大的能源，如用火花塞点火是不可靠的。在远程火箭上往往采用如图5所表示的方法。从燃烧室下部伸入一个有柄的盘，盘的周圈上装有小喷咀。燃烧室工作前由地面将自燃燃料经小喷嘴喷入燃烧室，此盘能自己转动，使燃烧室中充满高温气体。然后再供入火箭上的燃料。

图5点火装置简图

(三)未来的火箭发动机：

由于用化学燃料的火箭发动机经济性较差，如果能将核子能用于火箭将会得到很大好处。核子燃料的发热量比化学燃料要大几百万倍。理论上讲，如一火箭发动机推力为10吨，则其燃料消耗量约40公斤/秒左右。如果用原子火箭发动机，则燃料消耗量总共只需10－15克/秒。但原子反应堆有一临界质量，即如欲使用核子燃料，则其最小质量不得小于某一数值。此外为了使反应不是“原子爆炸”，故应加入减速剂——石墨或重水。这样使反应堆的重量至少也得一百公斤左右了。而严重的问题在于核子燃料工作时，如欲充分发挥其能力，由于发热量太大会使发动机在瞬间熔化和蒸发掉。所以目前原子能火箭发动机正在研究阶段，还未获得最后的成功。