火箭發動機推進與應用研究

伍賽特

上海汽車集團股份有限公司

0 引言

廣義上的推進是指改變慣性參考系中物體運動狀態的行為。推進系統產生的力可以使靜止物體產生運動、改變物體運動的速度或克服物體在黏性介質中運動時受到的阻力。噴氣推進是一種依靠噴射物質的動量傳遞給物體上的反作用力實現物體運動的方法。

1 火箭推進

火箭推進是一類通過噴射自身攜帶的物質產生推力的噴氣推進，這些物質稱為工質或推進劑[1-2]；通管推進是另一類噴氣推進，它包括渦輪噴氣發動機和沖壓發動機，這些發動機通常也稱為吸氣式發動機。通管推進裝置大多數利用周圍介質作為推進劑，周圍介質與裝置中儲存的燃料燃燒從而獲得能量。

火箭推進最常用的能源來自化學燃燒，也可由太陽輻射和核反應提供。與此類似，各種推進裝置可分為化學推進、核推進以及太陽能推進等幾類。輻射能也可以從太陽以外的能源獲得，理論上還包括通過地面發射的微波和激光束傳輸的能量。核能來源于原子核內的質能轉換，可以通過裂變或聚變產生。能源是火箭性能的核心，因此，考量了飛行器自身攜帶的或飛行器外部提供的各種能源。火箭推進系統中有效的能量輸入是熱能或電能，有效的輸出推力來自噴射物質的動能以及燃燒室內壁和噴管出口處的推進劑壓力。因此，火箭推進系統主要將輸入的能量轉換為排出氣體的動能。噴射出的物質可以是固態的，也可以是液態或氣態的。通常，噴出的物質是兩相或多相混合物。在極高的溫度下，噴出的物質還可能是等離子體，這是一種導電的氣體。

2 通管噴氣推進

這類推進方式通常稱為吸氣式發動機，它們由通管內用于約束空氣流動的裝置和給予管道內氣流能量的裝置組成。這類發動機利用空氣中的氧氣與飛行器自帶的燃料進行燃燒。這類發動機包括渦輪噴氣發動機、渦輪風扇發動機、沖壓發動機和脈沖發動機。

由于高比沖（這是后面將定義的性能指標）可直接用于提升射程，因此在飛行高度相對較低時，吸氣式發動機在飛行器射程上比化學火箭發動機更有優勢。但是，火箭發動機的獨特特點（如推重比高、推力迎風面積比高、推力幾乎與飛行高度無關）使其能夠在稀薄空氣尤其是在太空中飛行。

當飛行馬赫數大于2時，大氣層內的飛行就可以采用沖壓發動機（一種純通管發動機）。在沖壓發動機中空氣純粹靠氣體動力學原理壓縮，并且通過增加流經其內的亞聲速壓縮空氣的動量產生推力，除了沒有壓氣機和渦輪外，其內部構成基本上類似于渦輪噴氣發動機與渦輪風扇發動機。使用烴類燃料的亞聲速燃燒沖壓發動機的速度上限約為5馬赫；使用氫燃料同時用氫冷卻，可至少把速度上限提高到16馬赫。超聲速燃燒沖壓發動機也稱為超燃沖壓發動機，目前已經在驗證飛行器上進行了測試。所有沖壓發動機必須依靠火箭助推器或機載發射加速到超聲速狀態和設計飛行高度，并產生斜激波以壓縮并降低入口處空氣速度。亞聲速燃燒沖壓發動機主要應用于艦載和地面發射的防空導彈。

有一種概念超聲速飛行器將使用沖壓發動機的高速飛行器和一級或二級火箭助推器結合，它們可以將飛行器加速至其設計飛行狀態，在50 000 m高度上以25馬赫的速度飛行。

近年來，在火箭技術方面沒有出現真正新的或重要的概念，這反映了此領域已趨于成熟，僅出現了少數已驗證概念的新應用。火箭推進領域研究和開發工作的努力方向通常包括在新應用中使用新方法、新設計、新材料以及新制造工藝，降低成本并加快進度。

3 火箭推進的分類及技術特點

火箭推進系統可按照以下多種方式分類：能源類型（化學能、核能或太陽能）；基本功能（助推器、主級或上面級、姿態控制、軌道位置保持等）；飛行器類型（飛機、導彈、助飛器、空間飛行器等）；推力大小；推進劑種類；結構形式；飛行器上火箭發動機的臺數等。

還有一種火箭是按照產生推力的方法進行分類的。實際火箭發動機大多數利用了氣體在超聲速噴管中進行熱力學膨脹的原理。推進劑內能轉化為排氣的動能，同時推力也來自作用在排氣接觸面上的氣體壓力[3]。航空噴氣推進、火箭推進、核推進、激光推進、太陽熱推進以及某些電推進都利用了與此相同的熱力學原理和相同的通用裝置（燃燒室加噴管）。非熱能型電推進采用與此完全不同的方法產生推力，這些電推進系統利用磁場和／或電場加速氣體密度極低的帶電分子或原子。

3.1 化學火箭推進

化學推進劑通常包括一種燃料和一種氧化劑，它在高壓燃燒室中燃燒反應產生的能量把反應氣體產物加熱到很高的溫度（2 500～4 100℃），這些氣體隨后在超聲速噴管中膨脹并加速到很高的速度（1 800～4 300 m/s）。由于這些氣體的溫度約為鋼熔點的2倍，故發動機上所有與高溫燃氣接觸的表面都必須進行冷卻或隔熱。按照推進劑的物態，化學火箭推進裝置可分為多種類型。

液體火箭發動機使用液體推進劑，推進劑在壓力作用下從貯箱流到推力室。液體雙組元推進劑由一種液體氧化劑（如液氧）和一種液體燃料（如煤油）組成。單組元推進劑是一種在適當催化下可以分解成高溫氣體的單一液體[4]。

氣體擠壓式供應系統大多用于推力小、總沖低的推進系統[5]，每臺發動機通常有多個推力室。在推力室內，推進劑經過反應變成高溫燃氣，隨后燃氣通過一個超聲速噴管，在被加速后以極高的速度排出，從而把動量施加在飛行器上。超聲速噴管包括收斂段、喉部及錐形或鐘形的擴張段[6]。

某些液體火箭發動機允許重復工作，可任意啟動和關機。如果推力室具有足夠的冷卻能力，液體火箭發動機可連續工作數小時，僅取決于推進劑供應情況。液體火箭推進系統需要各種精密的閥門、復雜的輸送裝置（包括推進劑泵、渦輪和燃氣發生器）。液體火箭發動機都具有推進劑增壓裝置以及相對比較復雜的燃燒室或推力室。

在固體推進劑火箭發動機中，用于燃燒的推進劑裝填在燃燒室或發動機殼體內。固體推進劑裝藥稱為藥柱，它包含完全燃燒所需的所有化學成分。一旦點燃，它通常以預定的速率在所有暴露的藥柱內表面上平穩燃燒[7]。發動機的圓柱形藥孔與四個槽道的內表面最先燃燒。藥柱內腔隨著推進劑的燃燒及消耗不斷增大。燃燒產生的高溫燃氣流經超聲速噴管從而產生推力。一旦點燃，發動機裝藥會依預設方式有序地燃燒，直到推進劑全部耗光。

氣體推進劑火箭發動機使用自身攜帶的高壓氣體（如空氣、氮氣或氦氣）作為工質。儲存氣體需要相對較重的氣瓶。冷氣發動機曾用于許多早期航天器的低推力機動和姿態控制系統，有些目前仍在使用。利用電能或燃燒某種單組元推進劑在燃燒室內加熱氣體可提高其性能，這種系統通常稱為熱氣推進系統。

混合推進劑火箭推進系統同時使用液體與固體推進劑。例如，若一種液體氧化劑噴入裝有含碳固體燃料藥柱的燃燒室，發生的化學反應將產生高溫燃氣。

3.2 通管噴氣發動機與火箭發動機的組合

“戰斧”巡航導彈使用串聯兩級推進系統，導彈利用固體火箭助推器從發射平臺發射，助推器工作結束后與導彈分離。隨后，導彈使用一臺小型渦噴發動機維持低空飛行，以幾乎不變的亞聲速飛向目標。

通管火箭發動機有時也稱為空氣補燃火箭發動機，它結合了火箭發動機與沖壓發動機的原理。通管火箭發動機的性能（比沖）要高于化學火箭發動機，但其只能在大氣層內工作。通常，空氣補燃火箭發動機會將空氣與火箭發動機排氣（為了補燃，排氣是富燃的）按比例混合，從而使其依然能保持火箭發動機的特性，如高靜態推力、高推重比。但實際上，通管火箭發動機通常更像一種沖壓發動機，主要體現為它必須先被加速到工作速度，火箭發動機組件更多是作為富燃燃氣發生器（液體或固體的）使用的。

火箭發動機與沖壓發動機的原理可結合起來。這種方法的一個例子是使兩種推進系統按順序先后工作，隨后串聯起來并共用一個燃燒室。小尺寸的構型方案，即所謂的一體化火箭沖壓發動機，在采用沖壓發動機的空射導彈上很有前景。火箭發動機要轉變為沖壓發動機，需要擴大排氣噴管喉部面積（通常是拋掉火箭發動機噴管部分），連通沖壓發動機進氣道與燃燒室，隨后按常規程序啟動沖壓發動機。

固體燃料沖壓發動機使用固體燃料藥柱，燃料汽化或燒蝕后與空氣反應。有一種獲得專利的含硼固體燃料，將其制成類似固體推進劑的藥柱，以混合火箭發動機的方式燃燒，已獲得較高的燃燒效率。

3.3 核火箭發動機

核火箭發動機基本上是一種液體火箭發動機，其動力輸入來自單個核反應堆，而非任何化學燃燒。一臺帶有核裂變石墨反應堆的試驗火箭發動機在20世紀60年代制造出來，并用液態氫作為推進劑進行了地面測試。

公眾的擔憂導致了核火箭發動機項目的終止，因為任何地面或飛行事故都可能在地球環境中意外傳播放射性物質。由于在未來幾十年內，核火箭發動機不太可能得到發展，所以在此不進行進一步討論。

3.4 電火箭推進

電推進很吸引人，因為它的性能較高且使用較少的推進劑就能產生所需的推力，但現有的電源限制了其只能提供相對較低的推力。此類推進系統對于地面發射和大氣飛行來說非常不足，因為它自身需要相當笨重且相對低效的電源（但是在航天器中通常可以與其他子系統共享）。與化學推進不同，電推進利用的能量源（核能、太陽輻射或電池）不包含在所使用的推進劑中。通常電推進系統的推力很小，為了使航天器得到較高的速度增量，需要比化學推進長得多的時間施加這個小推力（和小加速度），有些需要數月甚至數年。

3.5 其他火箭推進方案

一種方案是太陽能熱火箭發動機。它用一個大直徑光學設備把太陽光集中到一個接收器或光學空腔內。接收器由高溫金屬制成，有一個換熱器把工質（通常是液氫）加熱到約2 500℃，高溫氣體從一個或多個噴管排出。一個試驗性的太陽能熱火箭推進系統于2012年在某衛星上進行了測試。

另一種方案是太陽帆。它基本上是一個很大的光子反射面。太陽帆的動力來源于航天器外部，但航天器只能往遠離太陽的方向飛行。還提出了把輻射能量通過激光或微波從地面站傳送到衛星上的方案，但相關測試尚未開展。

4 火箭推進的應用

由于火箭發動機能達到其他推進裝置無法比擬的性能，因此它具有自己的應用領域，并且通常不會與其他推進裝置競爭。為任何特定應用選擇最佳的火箭推進系統種類和設計都是一個復雜的過程，這涉及許多因素，包括系統性能、可靠性、成本、推進系統尺寸和兼容性。

4.1 運載火箭

人類自1957年以來已經進行了不計其數的航天發射，成功率超過95%。運載火箭或助推器可大致分為一次性的或可回收、可重復使用的；按推進劑的類型可分為常溫的或低溫的、液體或固體推進劑的；按火箭級數可分為單級的[8]、兩級的等；也可按有效載荷或火箭的尺寸及質量，載人或無人來分類。運載火箭有許多不同的飛行任務和有效載荷，據此可分為以下幾類：商業任務（如通信）、軍事任務（如偵察）、非軍事任務（如氣象觀測）和太空探索任務（如飛往其他行星）。

每種運載火箭都有其特定的飛行目標，如某地球軌道或月球著陸。通常火箭有二級到五級，每一級都有自己的推進系統，各級通常按順序在下面一級工作結束后開始點火。火箭級數的選擇與特定的空間彈道、機動次數與類型、單位質量推進劑的能量、載荷的大小以及其他一些因素有關。第一級通常稱為主推級，是最大的一級。這一級火箭在第二級火箭發動機點火工作前與上升的火箭分離。在火箭上增添額外的一級能顯著增加有效載荷（如攜帶更多的科學儀器或通信設備）。

實際上，多級運載火箭的每一級本身就是一枚完整的火箭，它有自己的推進劑、自己的一臺或多臺火箭發動機和自己的控制系統。一旦某一級的推進劑耗盡，該級火箭的剩余質量（包括空貯箱、殼體、結構件、儀器設備等）對于后幾級火箭就毫無用處。通過拋離這些無用質量，攜帶有效載荷的最后一級的末速度可以加速到比不分級的火箭更高。在低軌運載火箭中，固體火箭發動機與液體火箭發動機都有廣泛的應用。

4.2 航天器

航天器按其任務不同可分為地球衛星、月球航天器、行星際航天器和跨太陽系航天器等幾種，也可分為載人航天器與無人航天器。通常可將衛星分類為通信、氣象、導航、科學探索、深空探測、觀測（包括雷達監視）、偵察和其他用途的衛星。火箭推進系統既可用作航天器的主推進功能（加速度沿飛行方向，用于如軌道抬升、入軌、變軌機動等），也可用于完成輔助推進功能。輔助推進功能有姿態控制、自旋控制、動量輪和陀螺卸載、空間交會、級間分離、貯箱推進劑沉底等。航天器一般需要多臺不同火箭發動機，有些推力很小。對于航天器三軸姿態控制，由于各軸都要控制正負轉動，推進系統必須能提供6個轉動自由度的純力矩，因此至少需要12個推力器。有些任務只需要4～6個推力器，而復雜的載人航天器所有艙段的推力器總數可達20～50個。通常，小型姿態控制發動機需要發出脈沖推力或短時間的推力，需要重復啟動數千次。

大多數航天器和運載火箭使用液體發動機進行主推進，因為它們具有更好的性能。液體推進劑在主推進系統和輔助推進系統上都有應用。少數飛行器使用固體火箭發動機作為助推級，有些用于入軌。有些航天器使用電推進成功進行了姿態控制。電推進系統最近也已用于長期空間飛行中的一些主要和次要航天器推進任務。由于它們的推力較低，使用電推進的空間操作或機動需要相對較長的時間才能達到所需的速度增量。例如，從低地球軌道轉移到地球同步軌道可能需要長達2～3個月的時間，相比之下化學推進系統只需要幾個小時。利用全電推進系統進行上面級設計是一種相對較新的趨勢。

微推進是適用于小于100 kg或220 lb的小型航天器的推力水平新名詞。它包含各種不同的推進方法，例如，某些極低推力的液體單組元和雙組元火箭發動機、小型氣體推進劑火箭發動機、數種電推進系統，及其新出現的先進版本。它們許多都是基于新興的制造技術，通過微機械加工和機電加工來處理非常小的部件（閥門、推力器、開關、絕緣器或傳感器）。

4.3 軍事及其他應用

目前，美國新型導彈的推進系統幾乎全采用固體火箭發動機。導彈還可分為戰略導彈（如打擊敵對國軍事目標的、射程為8 000～9 000 km的遠程彈道導彈）和戰術導彈（用于支援或保護地面部隊、飛機或戰艦）[9]。

術語“面發射”的意思是從地面、海面（艦船）或海底（潛艇）發射。有些戰術導彈，如空面近程攻擊導彈（SRAM），使用雙脈沖固體火箭發動機[10]，即一個火箭發動機殼體內裝有兩個獨立的、相互隔離的藥柱，兩段藥柱工作間隔時間可以調節，以控制飛行彈道或速度。目前，大多數國家的武器裝備中擁有戰術導彈，其中許多國家具備本國生產火箭發動機和導彈的能力。

有些火箭發動機應用在數十年前較為流行，但現在很少出現，包括作為軍用戰斗機升空動力的液體火箭發動機、用于輔助飛機起飛的火箭發動機，以及用于提高飛機噴氣發動機推力的超性能火箭發動機。

火箭推進系統在空間領域中的其他應用包括通信衛星。它們可以在地面站之間提供電話和電視信號的中繼服務，已經順利運行很多年；這些通信衛星是由商業組織經營和操作的。其他國家也有自己的通信衛星。美國政府資助的項目包括氣象衛星和現在無處不在的全球定位系統（GPS）。太空探索的例子包括行星探索和深空探測任務，如“旅行者號”探測器和“信使號”探測器。美國國家航空航天局（NASA）噴氣推進實驗室開發了大量這類的任務和探測器；他們使用一個肼推進劑反應控制系統支持的多個推力器；另一項應用是用于太空旅游的亞軌道有翼飛船。

5 結論與展望

火箭發動機作為一類重要的航空宇航推進方式，在飛行器的技術發展進程中起著重要作用。考慮到航空及宇航領域的方興未艾，針對該領域進行技術研究及工程試驗仍有著重要而深遠的意義。