火箭发动机

[拼音]：huojian fadongji

[外文]：rocket engine

由飞行器自带推进剂，不依赖外界空气的喷气发动机，它是唯一可以在大气层以外空间工作的发动机。能源在火箭发动机内转化为工质（工作介质）的动能，形成高速射流排出而产生推力。

简史

火药是中国古代四大发明之一，用黑火药制成的火箭就是早期的固体推进剂火箭发动机。13～14世纪火药火箭的应用日趋广泛，19世纪在欧洲建造了火箭炮，低能黑火药作为推进剂一直沿用到20世纪初。

1903年，俄国К.Э.齐奥尔科夫斯基从事利用火箭技术进行星际航行的研究，首先提出使用能量更高的液体推进剂的建议。其后美国R.H.戈达德和德国H.奥伯特也相继提出用液体推进剂火箭发动机作为航天推进动力的设想。1926年1月戈达德研制成以液氧-汽油作推进剂的液体火箭发动机，并进行了首次飞行试验。第二次世界大战期间，德国研制A-4液体火箭发动机，所用推进剂是液氧-酒精。采用涡轮泵供应系统，使结构重量显著降低，用于V-2火箭武器，从而开创了近代火箭发展的历史。战后，美国和苏联在德国液体火箭技术的基础上研制了第一代以液氧为氧化剂的弹道导弹，并陆续装备部队。为了缩短导弹的发射准备时间和便于维护使用，这种推进剂后来逐渐由可贮存的液体推进剂和固体推进剂所取代。

1955年聚硫橡胶和过氯酸铵高能复合推进剂研制成功，在药柱设计和制造工艺上取得重大进展，使固体火箭发动机结构重量大幅度降低，从而有可能制造大型的固体火箭发动机。固体火箭发动机技术上的突破加速了固体导弹的发展，如潜射导弹、陆地机动发射导弹和固体洲际导弹（见导弹）等。

液体火箭技术日臻完善，充分发挥了性能高、适应性强、运载能力大和使用可靠的优点，使航天从理想变为现实。1957年10月苏联成功地发射了世界上第一颗人造地球卫星，1961年4月用液体火箭成功地发射了载人飞船。此后，美国专门为航天研制了一系列的液体火箭发动机，诸如单台推力为6670千牛（680吨力）的F-1液氧-煤油发动机、J-2 液氧-液氢发动机、可贮存推进剂的登月发动机和各种规格的姿态控制发动机等。用这些发动机作动力的“土星” 5号运载火箭（见“土星”号运载火箭）于 1969年7月实现了首次载人登月飞行。在此期间苏联也研制了 РД-119液氧-偏二甲肼发动机和推力为2450千牛（250吨力）的РД-253发动机，分别用于“宇宙”号运载火箭的第二级和“质子”号火箭的第一级。

1981年美国“哥伦比亚”号航天飞机首次飞行成功，标志着火箭发动机技术有了新的发展，由一次使用发展到可重复使用。航天飞机主发动机采用高压补燃循环，真空推力为2090千牛（213吨力），工作寿命7.5小时，使用次数50次以上，比冲455秒，推力可根据需要在额定推力的50％～109％范围内调节，发动机工作参数和程序的控制以及对各组件工作状况的检测是由计算机来完成的。

中国现代火箭推进技术是从50年代后期开始发展起来的。1970年发射了第一颗人造地球卫星，之后又陆续发射了15颗卫星。1980年5月和 1982年10月分别从试验基地和潜艇向预定海域成功地发射了运载火箭。1984年4月又成功地发射了试验通信卫星。

法国和日本等国也在从事运载火箭的研制工作。法国已成功发射了“阿里安”号运载火箭，它的第三级采用推力为60千牛(约6吨力)的HM-7液氧-液氢发动机。日本正在研制推力为98千牛（10吨力）的 LE-5液氧-液氢发动机。

分类

火箭发动机依形成气流动能的能源种类分为化学火箭发动机、核火箭发动机和电火箭发动机。

化学火箭发动机

主要由燃烧室和喷管组成。化学推进剂既是能源也是工质，它在燃烧室内进行放热反应，将化学能转化为热能，生成高温燃气，经喷管膨胀加速，将热能转化为气流动能，以高速（1500～5000米/秒）从喷管排出，产生推力。化学火箭发动机按推进剂的物态又分为液体火箭发动机、固体火箭发动机和混合推进剂火箭发动机。

液体火箭发动机使用常温下呈液态的可贮存推进剂和低温下呈液态的低温推进剂，具有性能高、适应性强、能多次起动等特点，能满足航天器对推进系统的各种要求，如液氧-液氢发动机比冲可高达480秒，单元推进剂姿态控制发动机起动次数可达几十万次。

固体火箭发动机的推进剂采用分子中含有燃料和氧化剂的有机物胶状固溶体（双基推进剂）或几种推进剂组元的机械混合物（复合推进剂），直接装在燃烧室内，比冲可达300秒，结构简单，使用方便，能长期贮存处于待发射状态，适用于各种战略和战术导弹。

混合推进剂火箭发动机通常将固体燃料装在燃烧室内，液体氧化剂由贮箱供应，发动机比冲约为260秒，兼有液体和固体火箭发动机的特点，曾用于靶机的推进系统，尚有待完善。

核火箭发动机

用核燃料作能源，用氢作工质，由核反应或放射性衰变释放热能，已被加热的工质经喷管膨胀加速后以高速（6500～11000米/秒）排出，产生推力。核火箭发动机尚处于试验阶段，主要问题是辐射防护、排气污染、反应堆的控制以及高效换热器的设计等。

电火箭发动机

利用电能将工质加速，形成高速射流从机内排出，产生推力。电能由飞行器提供，由化学能、核能或太阳能转化生成，排气流速可达1.8×10⁴～10⁵米/秒，比冲极高，但产生的推力很小(10^-5～5×10^-3牛或10^-6～5×10^-4)，适宜于空间长时间工作。1964年苏联“东方”号飞船曾使用过这种发动机。

人们认为光子火箭发动机具有最高效能，发动机推力是由电磁辐射量子（光子）的定向流产生的，但这尚属理论上的探索。

应用

火箭发动机主要用于运载火箭、航天器和导弹的推进系统。

运载火箭

多级运载火箭大都采用化学火箭发动机。每种类型的发动机都具有特定的用途，如助推、主发动机、游动发动机等。

航天器

火箭发动机可用作航天器的主推进系统和辅助系统，如轨道的改变和修正、姿态控制、推进剂沉底和远地点发动机等。化学火箭发动机是航天器推进系统的主要形式。电火箭发动机已获初步应用，如卫星的姿态控制和位置保持等。

导弹

固体火箭发动机和可贮存液体火箭发动机广泛用于各种战略和战术导弹，还可用于多弹头分导、机动弹头以及末制导的辅助推进系统。

其他用途还有火箭飞机和高速飞机的起飞助推、靶机、鱼雷和探空火箭等。

发展趋势

化学火箭发动机技术比较成熟，应用广泛，仍将是航天器和导弹的主要推进系统。新型的化学火箭发动机将应用于低轨道巨型飞行器、高轨道转移飞行器、外行星轨道飞行器、一次入轨空间飞行器以及可回收重复使用的空间运输系统。新一代的火箭发动机将具有高性能、长寿命、高适应性、能重复使用和便于维护等特点。火箭发动机在技术上的发展将表现在：采用高能推进剂，改善燃烧性能；采用新材料、新工艺和新的结构设计，以减轻发动机重量和提高飞行器的性能;用计算机对发动机进行自动检测和控制；增大高空喷管的面积比，在几何尺寸受到限制的条件下采用可延伸喷管；以及研制新型的双燃料发动机等。

新的推进技术将逐渐完善和投入使用，预期高比冲和长寿命的太阳－电推进系统可应用于高轨道卫星和行星探测器，核推进技术有可能用于未来的空间推进系统。

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