火箭发动机推进与应用研究

2021-12-01伍赛特

上海节能 2021年12期

关键词：推进剂航天器冲压

伍赛特

上海汽车集团股份有限公司

0 引言

广义上的推进是指改变惯性参考系中物体运动状态的行为。推进系统产生的力可以使静止物体产生运动、改变物体运动的速度或克服物体在黏性介质中运动时受到的阻力。喷气推进是一种依靠喷射物质的动量传递给物体上的反作用力实现物体运动的方法。

1 火箭推进

火箭推进是一类通过喷射自身携带的物质产生推力的喷气推进，这些物质称为工质或推进剂[1-2]；通管推进是另一类喷气推进，它包括涡轮喷气发动机和冲压发动机，这些发动机通常也称为吸气式发动机。通管推进装置大多数利用周围介质作为推进剂，周围介质与装置中储存的燃料燃烧从而获得能量。

火箭推进最常用的能源来自化学燃烧，也可由太阳辐射和核反应提供。与此类似，各种推进装置可分为化学推进、核推进以及太阳能推进等几类。辐射能也可以从太阳以外的能源获得，理论上还包括通过地面发射的微波和激光束传输的能量。核能来源于原子核内的质能转换，可以通过裂变或聚变产生。能源是火箭性能的核心，因此，考量了飞行器自身携带的或飞行器外部提供的各种能源。火箭推进系统中有效的能量输入是热能或电能，有效的输出推力来自喷射物质的动能以及燃烧室内壁和喷管出口处的推进剂压力。因此，火箭推进系统主要将输入的能量转换为排出气体的动能。喷射出的物质可以是固态的，也可以是液态或气态的。通常，喷出的物质是两相或多相混合物。在极高的温度下，喷出的物质还可能是等离子体，这是一种导电的气体。

2 通管喷气推进

这类推进方式通常称为吸气式发动机，它们由通管内用于约束空气流动的装置和给予管道内气流能量的装置组成。这类发动机利用空气中的氧气与飞行器自带的燃料进行燃烧。这类发动机包括涡轮喷气发动机、涡轮风扇发动机、冲压发动机和脉冲发动机。

由于高比冲（这是后面将定义的性能指标）可直接用于提升射程，因此在飞行高度相对较低时，吸气式发动机在飞行器射程上比化学火箭发动机更有优势。但是，火箭发动机的独特特点（如推重比高、推力迎风面积比高、推力几乎与飞行高度无关）使其能够在稀薄空气尤其是在太空中飞行。

当飞行马赫数大于2时，大气层内的飞行就可以采用冲压发动机（一种纯通管发动机）。在冲压发动机中空气纯粹靠气体动力学原理压缩，并且通过增加流经其内的亚声速压缩空气的动量产生推力，除了没有压气机和涡轮外，其内部构成基本上类似于涡轮喷气发动机与涡轮风扇发动机。使用烃类燃料的亚声速燃烧冲压发动机的速度上限约为5马赫；使用氢燃料同时用氢冷却，可至少把速度上限提高到16马赫。超声速燃烧冲压发动机也称为超燃冲压发动机，目前已经在验证飞行器上进行了测试。所有冲压发动机必须依靠火箭助推器或机载发射加速到超声速状态和设计飞行高度，并产生斜激波以压缩并降低入口处空气速度。亚声速燃烧冲压发动机主要应用于舰载和地面发射的防空导弹。

有一种概念超声速飞行器将使用冲压发动机的高速飞行器和一级或二级火箭助推器结合，它们可以将飞行器加速至其设计飞行状态，在50 000 m高度上以25马赫的速度飞行。

近年来，在火箭技术方面没有出现真正新的或重要的概念，这反映了此领域已趋于成熟，仅出现了少数已验证概念的新应用。火箭推进领域研究和开发工作的努力方向通常包括在新应用中使用新方法、新设计、新材料以及新制造工艺，降低成本并加快进度。

3 火箭推进的分类及技术特点

火箭推进系统可按照以下多种方式分类：能源类型（化学能、核能或太阳能）；基本功能（助推器、主级或上面级、姿态控制、轨道位置保持等）；飞行器类型（飞机、导弹、助飞器、空间飞行器等）；推力大小；推进剂种类；结构形式；飞行器上火箭发动机的台数等。

还有一种火箭是按照产生推力的方法进行分类的。实际火箭发动机大多数利用了气体在超声速喷管中进行热力学膨胀的原理。推进剂内能转化为排气的动能，同时推力也来自作用在排气接触面上的气体压力[3]。航空喷气推进、火箭推进、核推进、激光推进、太阳热推进以及某些电推进都利用了与此相同的热力学原理和相同的通用装置（燃烧室加喷管）。非热能型电推进采用与此完全不同的方法产生推力，这些电推进系统利用磁场和／或电场加速气体密度极低的带电分子或原子。

3.1 化学火箭推进

化学推进剂通常包括一种燃料和一种氧化剂，它在高压燃烧室中燃烧反应产生的能量把反应气体产物加热到很高的温度（2 500～4 100℃），这些气体随后在超声速喷管中膨胀并加速到很高的速度（1 800～4 300 m/s）。由于这些气体的温度约为钢熔点的2倍，故发动机上所有与高温燃气接触的表面都必须进行冷却或隔热。按照推进剂的物态，化学火箭推进装置可分为多种类型。

液体火箭发动机使用液体推进剂，推进剂在压力作用下从贮箱流到推力室。液体双组元推进剂由一种液体氧化剂（如液氧）和一种液体燃料（如煤油）组成。单组元推进剂是一种在适当催化下可以分解成高温气体的单一液体[4]。

气体挤压式供应系统大多用于推力小、总冲低的推进系统[5]，每台发动机通常有多个推力室。在推力室内，推进剂经过反应变成高温燃气，随后燃气通过一个超声速喷管，在被加速后以极高的速度排出，从而把动量施加在飞行器上。超声速喷管包括收敛段、喉部及锥形或钟形的扩张段[6]。

某些液体火箭发动机允许重复工作，可任意启动和关机。如果推力室具有足够的冷却能力，液体火箭发动机可连续工作数小时，仅取决于推进剂供应情况。液体火箭推进系统需要各种精密的阀门、复杂的输送装置（包括推进剂泵、涡轮和燃气发生器）。液体火箭发动机都具有推进剂增压装置以及相对比较复杂的燃烧室或推力室。

在固体推进剂火箭发动机中，用于燃烧的推进剂装填在燃烧室或发动机壳体内。固体推进剂装药称为药柱，它包含完全燃烧所需的所有化学成分。一旦点燃，它通常以预定的速率在所有暴露的药柱内表面上平稳燃烧[7]。发动机的圆柱形药孔与四个槽道的内表面最先燃烧。药柱内腔随着推进剂的燃烧及消耗不断增大。燃烧产生的高温燃气流经超声速喷管从而产生推力。一旦点燃，发动机装药会依预设方式有序地燃烧，直到推进剂全部耗光。

气体推进剂火箭发动机使用自身携带的高压气体（如空气、氮气或氦气）作为工质。储存气体需要相对较重的气瓶。冷气发动机曾用于许多早期航天器的低推力机动和姿态控制系统，有些目前仍在使用。利用电能或燃烧某种单组元推进剂在燃烧室内加热气体可提高其性能，这种系统通常称为热气推进系统。

混合推进剂火箭推进系统同时使用液体与固体推进剂。例如，若一种液体氧化剂喷入装有含碳固体燃料药柱的燃烧室，发生的化学反应将产生高温燃气。

3.2 通管喷气发动机与火箭发动机的组合

“战斧”巡航导弹使用串联两级推进系统，导弹利用固体火箭助推器从发射平台发射，助推器工作结束后与导弹分离。随后，导弹使用一台小型涡喷发动机维持低空飞行，以几乎不变的亚声速飞向目标。

通管火箭发动机有时也称为空气补燃火箭发动机，它结合了火箭发动机与冲压发动机的原理。通管火箭发动机的性能（比冲）要高于化学火箭发动机，但其只能在大气层内工作。通常，空气补燃火箭发动机会将空气与火箭发动机排气（为了补燃，排气是富燃的）按比例混合，从而使其依然能保持火箭发动机的特性，如高静态推力、高推重比。但实际上，通管火箭发动机通常更像一种冲压发动机，主要体现为它必须先被加速到工作速度，火箭发动机组件更多是作为富燃燃气发生器（液体或固体的）使用的。

火箭发动机与冲压发动机的原理可结合起来。这种方法的一个例子是使两种推进系统按顺序先后工作，随后串联起来并共用一个燃烧室。小尺寸的构型方案，即所谓的一体化火箭冲压发动机，在采用冲压发动机的空射导弹上很有前景。火箭发动机要转变为冲压发动机，需要扩大排气喷管喉部面积（通常是抛掉火箭发动机喷管部分），连通冲压发动机进气道与燃烧室，随后按常规程序启动冲压发动机。

固体燃料冲压发动机使用固体燃料药柱，燃料汽化或烧蚀后与空气反应。有一种获得专利的含硼固体燃料，将其制成类似固体推进剂的药柱，以混合火箭发动机的方式燃烧，已获得较高的燃烧效率。

3.3 核火箭发动机

核火箭发动机基本上是一种液体火箭发动机，其动力输入来自单个核反应堆，而非任何化学燃烧。一台带有核裂变石墨反应堆的试验火箭发动机在20世纪60年代制造出来，并用液态氢作为推进剂进行了地面测试。

公众的担忧导致了核火箭发动机项目的终止，因为任何地面或飞行事故都可能在地球环境中意外传播放射性物质。由于在未来几十年内，核火箭发动机不太可能得到发展，所以在此不进行进一步讨论。

3.4 电火箭推进

电推进很吸引人，因为它的性能较高且使用较少的推进剂就能产生所需的推力，但现有的电源限制了其只能提供相对较低的推力。此类推进系统对于地面发射和大气飞行来说非常不足，因为它自身需要相当笨重且相对低效的电源（但是在航天器中通常可以与其他子系统共享）。与化学推进不同，电推进利用的能量源（核能、太阳辐射或电池）不包含在所使用的推进剂中。通常电推进系统的推力很小，为了使航天器得到较高的速度增量，需要比化学推进长得多的时间施加这个小推力（和小加速度），有些需要数月甚至数年。

3.5 其他火箭推进方案

一种方案是太阳能热火箭发动机。它用一个大直径光学设备把太阳光集中到一个接收器或光学空腔内。接收器由高温金属制成，有一个换热器把工质（通常是液氢）加热到约2 500℃，高温气体从一个或多个喷管排出。一个试验性的太阳能热火箭推进系统于2012年在某卫星上进行了测试。

另一种方案是太阳帆。它基本上是一个很大的光子反射面。太阳帆的动力来源于航天器外部，但航天器只能往远离太阳的方向飞行。还提出了把辐射能量通过激光或微波从地面站传送到卫星上的方案，但相关测试尚未开展。

4 火箭推进的应用

由于火箭发动机能达到其他推进装置无法比拟的性能，因此它具有自己的应用领域，并且通常不会与其他推进装置竞争。为任何特定应用选择最佳的火箭推进系统种类和设计都是一个复杂的过程，这涉及许多因素，包括系统性能、可靠性、成本、推进系统尺寸和兼容性。

4.1 运载火箭

人类自1957年以来已经进行了不计其数的航天发射，成功率超过95%。运载火箭或助推器可大致分为一次性的或可回收、可重复使用的；按推进剂的类型可分为常温的或低温的、液体或固体推进剂的；按火箭级数可分为单级的[8]、两级的等；也可按有效载荷或火箭的尺寸及质量，载人或无人来分类。运载火箭有许多不同的飞行任务和有效载荷，据此可分为以下几类：商业任务（如通信）、军事任务（如侦察）、非军事任务（如气象观测）和太空探索任务（如飞往其他行星）。

每种运载火箭都有其特定的飞行目标，如某地球轨道或月球着陆。通常火箭有二级到五级，每一级都有自己的推进系统，各级通常按顺序在下面一级工作结束后开始点火。火箭级数的选择与特定的空间弹道、机动次数与类型、单位质量推进剂的能量、载荷的大小以及其他一些因素有关。第一级通常称为主推级，是最大的一级。这一级火箭在第二级火箭发动机点火工作前与上升的火箭分离。在火箭上增添额外的一级能显著增加有效载荷（如携带更多的科学仪器或通信设备）。

实际上，多级运载火箭的每一级本身就是一枚完整的火箭，它有自己的推进剂、自己的一台或多台火箭发动机和自己的控制系统。一旦某一级的推进剂耗尽，该级火箭的剩余质量（包括空贮箱、壳体、结构件、仪器设备等）对于后几级火箭就毫无用处。通过抛离这些无用质量，携带有效载荷的最后一级的末速度可以加速到比不分级的火箭更高。在低轨运载火箭中，固体火箭发动机与液体火箭发动机都有广泛的应用。

4.2 航天器

航天器按其任务不同可分为地球卫星、月球航天器、行星际航天器和跨太阳系航天器等几种，也可分为载人航天器与无人航天器。通常可将卫星分类为通信、气象、导航、科学探索、深空探测、观测（包括雷达监视）、侦察和其他用途的卫星。火箭推进系统既可用作航天器的主推进功能（加速度沿飞行方向，用于如轨道抬升、入轨、变轨机动等），也可用于完成辅助推进功能。辅助推进功能有姿态控制、自旋控制、动量轮和陀螺卸载、空间交会、级间分离、贮箱推进剂沉底等。航天器一般需要多台不同火箭发动机，有些推力很小。对于航天器三轴姿态控制，由于各轴都要控制正负转动，推进系统必须能提供6个转动自由度的纯力矩，因此至少需要12个推力器。有些任务只需要4～6个推力器，而复杂的载人航天器所有舱段的推力器总数可达20～50个。通常，小型姿态控制发动机需要发出脉冲推力或短时间的推力，需要重复启动数千次。

大多数航天器和运载火箭使用液体发动机进行主推进，因为它们具有更好的性能。液体推进剂在主推进系统和辅助推进系统上都有应用。少数飞行器使用固体火箭发动机作为助推级，有些用于入轨。有些航天器使用电推进成功进行了姿态控制。电推进系统最近也已用于长期空间飞行中的一些主要和次要航天器推进任务。由于它们的推力较低，使用电推进的空间操作或机动需要相对较长的时间才能达到所需的速度增量。例如，从低地球轨道转移到地球同步轨道可能需要长达2～3个月的时间，相比之下化学推进系统只需要几个小时。利用全电推进系统进行上面级设计是一种相对较新的趋势。

微推进是适用于小于100 kg或220 lb的小型航天器的推力水平新名词。它包含各种不同的推进方法，例如，某些极低推力的液体单组元和双组元火箭发动机、小型气体推进剂火箭发动机、数种电推进系统，及其新出现的先进版本。它们许多都是基于新兴的制造技术，通过微机械加工和机电加工来处理非常小的部件（阀门、推力器、开关、绝缘器或传感器）。

4.3 军事及其他应用

目前，美国新型导弹的推进系统几乎全采用固体火箭发动机。导弹还可分为战略导弹（如打击敌对国军事目标的、射程为8 000～9 000 km的远程弹道导弹）和战术导弹（用于支援或保护地面部队、飞机或战舰）[9]。

术语“面发射”的意思是从地面、海面（舰船）或海底（潜艇）发射。有些战术导弹，如空面近程攻击导弹（SRAM），使用双脉冲固体火箭发动机[10]，即一个火箭发动机壳体内装有两个独立的、相互隔离的药柱，两段药柱工作间隔时间可以调节，以控制飞行弹道或速度。目前，大多数国家的武器装备中拥有战术导弹，其中许多国家具备本国生产火箭发动机和导弹的能力。

有些火箭发动机应用在数十年前较为流行，但现在很少出现，包括作为军用战斗机升空动力的液体火箭发动机、用于辅助飞机起飞的火箭发动机，以及用于提高飞机喷气发动机推力的超性能火箭发动机。

火箭推进系统在空间领域中的其他应用包括通信卫星。它们可以在地面站之间提供电话和电视信号的中继服务，已经顺利运行很多年；这些通信卫星是由商业组织经营和操作的。其他国家也有自己的通信卫星。美国政府资助的项目包括气象卫星和现在无处不在的全球定位系统（GPS）。太空探索的例子包括行星探索和深空探测任务，如“旅行者号”探测器和“信使号”探测器。美国国家航空航天局（NASA）喷气推进实验室开发了大量这类的任务和探测器；他们使用一个肼推进剂反应控制系统支持的多个推力器；另一项应用是用于太空旅游的亚轨道有翼飞船。