化学火箭

航天器运载工具

满足军事和各种航天器运载工具的需要而利用化学火箭发动机推进的火箭。

简介

用化学火箭发动机推进的火箭。按所使用推进剂的物理状态，可分为固体、液体、固液混合推进剂火箭。固体火箭的结构紧凑，使用方便，发射准备时间较短，广泛用于导弹、火箭弹、助推器及航天飞机等；液体火箭结构较复杂，发射准备时间较长，但比冲高，发动机工作时间长，易于推力调节并能多次启动，常用作卫星、飞船、航天飞机等空间飞行器的运载火箭；固液混合式火箭，因存在燃烧温度高并且不稳定等问题，目前尚未得到实际应用。化学火箭经历了漫长的发展历程，早在11世纪，中国就出现了世界上最早的军用固体火箭，为人类火箭技术的发展和应用作出了重要贡献；与固体火箭相比，液体火箭发展较晚，20世纪20年代中期才开始试验，其推进原理同古代固体火箭一脉相承，作为实际应用则是德国在30年代末研制的V-2液体火箭。战后50多年来，固体和液体火箭均获得了迅速发展，已能满足军事和各种航天器运载工具的不同需要。

基本假设

化学火箭发动机理想热力循环过程满足以下假设：

(1)工质(或者化学反应产物)是均相的，服从完全气体定律，在发动机燃烧室内气体达到化学平衡，气体成分在喷管内不变。

(2)没有穿过发动机室壁的传热，流动是绝热的；没有明显的摩擦，忽略所有的边界层效应。

在以上假设的基础上，液体火箭发动机的理想热力循环分为的4个过程，如图1所示。

(1)0-1为推进剂在泵内的压缩过程，比体积变化很小，近似为定容过程；

(2)1-2为推进剂在燃烧室内的等压燃烧过程，简化为定压加热过程；

(3)2-3为燃气在喷管内的绝热膨胀过程；

(4)3-0为等压放热过程，燃气降压后被排人大气，经历在大气中向环境的放热过程，构成一个封闭的循环。

性能分析

整个分析通常可分为两个相对有些独立的计算过程：

(1)燃烧过程是第一部分。它发生在室压基本恒定(等压)的燃烧室中，生成的气体遵循道尔顿定律。化学反应或燃烧的速率非常高。假定燃烧室容积足够大、气体在燃烧室内的停留时间足够长，燃烧室内达到化学平衡。

(2)喷管气体膨胀过程构成了计箅的第二部分。经完全反应的、平衡的气体燃烧产物进入喷管，在喷管内经历绝热膨胀。在喷管可逆(等熵)膨胀过程中熵为常数，但在实际喷管流动中熵稍有增加。

化学反应主要发生在液体火箭发动机燃烧室内或固体火箭发动机的药柱空腔内(通常在燃烧面附近短距离范围内)。第九章和第十五章将进一步分析这些燃烧室中的燃烧过程。然而，随着气体的膨胀，喷管内也会出现一些化学反应，因此喷管内反应产物的组分会发生变化，如本章将叙述的。喷管外的排气羽流中可能还会发生进一步的化学反应，这将在第十八章叙述。本章叙述的许多热化学基本分析方法同样也可应用于排气羽流。

化学火箭改进

尽管推力是远征火星过程中所需的各种机动的重要参数，但是真正决定成功的却是排气速度。排气速度和所需速度变化的比值，定义了本章前面提到的推进剂倍数，从而确定了所需推进剂的质量。我们过去用于计算基本任务需求的3．24 kin/+S的排气速度，是以伊斯特发动机的可贮存系统为基础的。但是如果我们提高这一速度。会出现什么情况，又有什么问题呢?以航天飞机主发动机为基础．采用液氧和液氢推进剂．那么会极大地减小推进剂倍数。例如．从地球轨道出发的倍数，就可贮存推进剂来说是1．99；但就低温推进剂而言，该倍数减小为1．18。其结果就是整个任务所需推进剂的质量将大幅降低。

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