火箭发动机如何工作

一台远程摄像机在密西西比州汉考克县的约翰·斯坦尼斯（John C. Stennis）航天中心进行测试期间，捕获了航天飞机主发动机的特写景观。

照片礼貌NASA

想象以下情况：您穿着太空服而且您在空间旁边漂浮航天飞机;您碰巧手里拿着棒球。

如果你扔棒球，您的身体将通过沿球的相反方向移动。控制身体移动速度的东西是重量您投掷的棒球和加速度您适用于此。质量乘以加速度为力（F = M * A）。您应用于棒球的任何力都将通过施加到身体的相同反应力量（m * a = m * a）均等。假设棒球重1磅，您的身体加上太空西服的重量为100磅。您以每秒32英尺（21英里 /小时）的速度扔掉棒球。也就是说，您用手臂加速了1磅的棒球，以便获得21英里 /小时的速度。您的身体反应，但重量是棒球的100倍。因此，它以棒球速度的一百分之八的速度移开，即每秒0.32英尺（0.21 mph）。

如果您想生成更多推力从棒球中，您有两个选择：增加质量或增加加速度。您可以将较重的棒球投掷，也可以一个接一个地扔多个棒球（增加质量），也可以更快地扔棒球（增加加速度）。但这就是您可以做的。

火箭发动机通常以一种形式扔质量高压气体。发动机将气体的质量朝一个方向投放，以便在相反的方向上产生反应。质量来自火箭发动机燃烧的燃料的重量。燃烧过程加速了燃料的质量，因此高速从火箭喷嘴出来。当燃料燃烧时燃料从固体或液体变成气体不会改变其质量，这一事实。如果您燃烧一磅的火箭燃料，一磅排气的喷嘴以高温，高速气体的形式出现。形式发生了变化，但质量没有。燃烧过程加速了质量。

让我们进一步了解接下来的推力。

火箭发动机的“强度”称为推力。推力在美国和公制系统下的“推力”和纽顿（4.45纽顿推力等于1磅的推力）中测量。一磅推力是将1磅重的物体静止到的力量所需的推力。重力在地球上。很快地球，重力加速度为每秒32英尺（每秒21 mph）。如果您在太空中漂浮，一袋棒球而且，您以21英里 /小时的速度每秒扔了一个棒球，您的棒球将产生相当于1磅的推力。如果您要以42英里 /小时的速度扔棒球，那么您将产生2磅的推力。如果您以2,100 mph的速度（也许是用某种棒球枪射击它们），那么您会产生100磅的推力，依此类推。

Rockets遇到的有趣的问题之一是，发动机想要投掷的物体实际称重，火箭必须携带重量。因此，假设您想以每秒2100英里 /小时的速度每秒扔一个棒球来产生100磅的推力。这意味着您必须从3,600磅重的棒球（一小时内有3,600秒）或3,600磅的棒球开始。由于您的体重仅为100磅太空服，您可以看到“燃料”的重量使有效载荷的重量相形见war。实际上，燃料的重量是有效载荷的36倍。这很普遍。这就是为什么您必须拥有一枚巨大的火箭才能使一个小人现在进入太空 - 您必须携带很多燃料。

您可以在航天飞机上非常清楚地看到重量方程式。如果您曾经看过航天飞机的发布，您就会知道有三个部分：

轨道体重165,000磅空。外部水箱重78,100磅。两个固体火箭助推器的重量为185,000磅空。但是然后您必须加载燃料。每个SRB持有110万磅的燃料。外部储罐容纳143,000加仑的液体氧（1,359,000磅）和383,000加仑的液态氢（226,000磅）。整个车辆 - 航天飞机，外部坦克，固体火箭助力箱和所有燃料 - 发射时总重量为440万磅。440万磅的轨道上获得165,000磅是一个很大的差异！公平地说，轨道器还可以携带65,000磅重的有效载荷（最多15 x 60英尺），但这仍然是一个很大的差异。燃料的重量是轨道的近20倍[来源：航天飞机操作员的手册]。

所有这些燃料都以大约6,000 mph的速度扔出航天飞机后部（化学火箭的典型火箭排气速度范围为5,000至10,000 mph）。SRB燃烧了大约两分钟，每次发射时会产生约330万磅的推力（比燃烧平均265万磅）。三个主要发动机（在外部水箱中使用燃料）燃烧约八分钟，在燃烧期间每台产生375,000磅的推力。

在下一部分中，我们将查看固体燃料火箭中的特定燃料混合物。

点火前后的固体燃料火箭

固体燃料火箭发动机是人类创建的第一批发动机。它们是数百年前在中国发明的，从那时起就被广泛使用。国歌中有关“火箭的红色眩光”（1800年代初）的台词正在谈论用于交付的小型军事固体火箭炸弹或燃烧设备。因此，您可以看到火箭已经使用了一段时间了。

简单的固体火箭背后的想法很简单。您想做的是创建很快燃烧但不会爆炸的东西。您可能知道，火药爆炸。火药组成75％的硝酸盐，15％的碳和10％的硫。在火箭引擎中，您不希望爆炸 - 您希望在一段时间内更均匀发布的电源。因此，您可能会将混合物更改为72％硝酸盐，24％碳和4％硫。在这种情况下，您会得到一个简单的火箭燃料，而不是火药。这种混合物会非常迅速地燃烧，但是如果加载正确，它不会爆炸。这是一个典型的横截面：

在左侧，您会在点火之前看到火箭。固体燃料以绿色显示。它是圆柱形的，在中间钻了管。当您点燃燃料时，它会沿着管子的墙壁燃烧。当它燃烧时，它向外壳向外燃烧，直到所有燃料都燃烧为止。在小型火箭发动机或小瓶火箭中，燃烧可能会持续一秒钟。在含有超过一百万磅燃料的航天飞机SRB中，燃烧持续了大约两分钟。

当您阅读有关航天飞机的固体火箭助推器（例如，您经常阅读：

本段不仅讨论了燃料混合物，还讨论了在燃料中心钻的通道的配置。“ 11点星形的穿孔”可能看起来像这样：

这个想法是增加通道的表面积，从而增加燃烧面积，从而增加推力。随着燃料燃烧的燃烧，形状逐渐变成一个圆圈。在SRB的情况下，它在飞行中间给出了发动机高的初始推力和较低的推力。

固体燃料火箭发动机具有三个重要优势：

他们也有两个缺点：

缺点意味着固体燃料火箭对短期任务有用（例如导弹），或用于助推系统。当您需要能够控制发动机时，必须使用液体推进剂系统。接下来，我们将了解这些和其他可能性。

罗伯特·H·戈达德（Robert H. Goddard）博士和他的液体氧气摩托石火箭在1926年3月16日在马萨诸塞州奥本（Auburn）开火的框架中。圆白菜。

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1926年，罗伯特·戈达德（Robert Goddard）测试了第一台液体螺旋桨火箭发动机。他的引擎使用了汽油和液体氧。他还研究并解决了火箭发动机设计中的许多基本问题，包括抽水机制，冷却策略和转向安排。这些问题是使液体螺旋桨火箭如此复杂的原因。

基本思想很简单。在大多数液体螺旋剂火箭发动机中，将燃料和氧化剂（例如汽油和液体氧）泵入燃烧室。他们在那里燃烧以形成高压和高速的热气流。这些气体通过喷嘴流动，使它们进一步加速（典型的出口速度为5,000至10,000 mph的出口速度），然后它们离开发动机。以下高度简化的图显示了基本组件。

该图没有显示典型引擎的实际复杂性（有关真实引擎的良好图像和描述，请参见页面底部的某些链接）。例如，燃料或氧化剂是冷液化气体（如液体氢或液体氧气）是正常的。液体螺旋桨火箭发动机中的一个大问题之一是冷却燃烧室和喷嘴，因此首先将低温液体循环到超热部件以冷却它们。泵必须产生极高的压力，以克服燃烧燃料在燃烧室中产生的压力。航天飞机中的主要发动机实际上使用了两个泵送阶段，并燃烧燃料来驱动第二阶段的泵。所有这些抽水和冷却使典型的液体推进剂发动机看起来更像是一个管道项目，而不是其他任何东西 - 看看上的引擎这一页看看我的意思。

各种燃料组合都用于液体推进剂火箭发动机中。例如：

这张Xenon离子发动机的图像是通过真空室的端口拍摄的，在NASA的喷气推进实验室进行了测试，显示了发动机发出的带电原子的微弱的蓝色光芒。离子推进发动机是第一个使用用作推动航天器的主要手段的非化学推进。

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我们习惯于看到化学火箭发动机燃烧燃料以产生推力。但是，还有许多其他方法可以产生推力。任何投掷质量的系统都会做到。如果您能找到一种加速的方法棒球达到极高的速度，您将拥有一个可行的火箭发动机。这种方法的唯一问题是棒球“排气”（那时高速棒球）左流过太空。这个小问题导致火箭发动机设计师偏爱排气产品的气体。

许多火箭发动机很小。例如，态度推进器卫星不需要产生太多推力。卫星上发现的一种常见的发动机设计根本没有使用“燃料” -加压氮推进器只需通过喷嘴从水箱中吹出氮气即可。这样的推进器将Skylab保存在轨道上，并且也用于班车的载人操纵系统中。

新的引擎设计正在尝试找到加速的方法离子或者原子颗粒极高的速度可以更有效地创造推力。NASA的Deep Space-1航天器是第一个使用离子发动机进行推进的飞机[来源：space.com]。有关等离子体和离子发动机的其他讨论，请参见此页面。

有关火箭引擎和相关主题的更多信息，请查看下一页上的链接。