爱吱声
标题:
想象固液火箭
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作者:
晨枫
时间:
2021-4-7 12:29
标题:
想象固液火箭
从火箭发明开始，固体燃料火箭和液体燃料火箭之争就一直存在。
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固体火箭把燃料和氧化剂均匀混合后浇注在完整的固体药柱里，实际上就是缓燃炸药。固体火箭推力大，药柱均匀、致密对稳定工作至关重要，裂缝或者空隙有可能造成熄火。更大的问题是推力难以调节，现在解决了双推力的问题，但多次点火依然是技术难题。
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液体火箭把燃料和氧化剂分别储存，使用时注入燃烧室，混合燃烧，燃烧固定在燃烧室内进行，推力可调，也容易多次点火。但液体火箭不仅机械系统复杂、沉重，也有一些独有的技术难题。比如说，平稳、可靠的点火就是不小的挑战。用电火花点火容易受局部混合不均匀的影响，火花延续时间也很短暂，可能造成不稳定点火。“飞毛腿”导弹在点火时，向燃烧室缓缓注入遇空气自燃的二甲基肼，通过渐次增加流量和维持足够的注入时间，可实现平稳、可靠的点火。
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比冲是推力与燃料消耗速率之比，单位为秒。比冲越高，单位燃料产生的推力越大。固体火箭的比冲较低，液体火箭的比冲较高。但在实际上，液体火箭需要储罐、管路、泵、阀和控制机构，系统重量较大，发射准备时间较长，同样载荷和射程条件下，固体火箭常常比液体火箭还轻小。不过液体火箭的重量劣势随着火箭增大而缩小。占系统重量最大的储罐的重量与表面积成正比，但容量与体积成正比。随着储罐尺寸的增加，容量成三次方关系增加，而表面积只有二次方关系增加，所以火箭越大，重量劣势越小。加上比冲高，推力可调节，可多次点火，液体火箭在大型运载火箭中占绝对优势。固体火箭则在中小型战术导弹或者不便发射前加注的潜射、空射战略导弹上使用更多。
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但是细抠起来，固体燃料的能量高，液体氧化剂的含氧量高，要是能把两者结合起来，可能鱼与熊掌兼得？但鱼与熊掌生活在平行宇宙，要兼得可是不容易。多少年来，人们不懈尝试，但结果很惨淡。台湾基于NASA研究推出的固液火箭的比冲甚至不如固体火箭。
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固液火箭的一个问题是如何将液体氧化剂有效地送到固体燃料的燃烧面上。固体火箭的燃烧面有两种方式：端面燃烧和内壁燃烧。端面燃烧就是向火柴燃烧一样，药柱填满弹体-燃烧室，从尾端开始燃烧，燃烧面随着燃料的消耗而逐渐退缩，直到耗尽。端面燃烧的药柱填充率高，燃烧面积一致，产生的推力均匀，但万一药柱质量不均匀，燃烧会出现断续，甚至熄火。内壁燃烧的药柱是空心的厚壁圆筒，圆筒内壁就是燃烧面。这样药柱的填充率低一些，但燃烧面大，不大会出现因为药柱质量不好而断续燃烧甚至熄火的问题。问题是燃烧面积随着药柱的燃耗而自然扩大，产生的燃气越来越多，推力越来越大，不利于保持推力均匀。
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内壁燃烧是固液火箭的自然选择。液体氧化剂流经内壁，与壁面上的固体燃料发生燃烧。但随着固体燃料的消耗，内壁孔径自然增加，壁面增加需要增加氧化剂流量才能保持适当的氧气-燃料比。另一个问题是氧份在向尾部流动中不断被消耗，或者说氧气-燃料比随流动而沿轴向不断降低，影响燃烧的均匀和效率，不仅需要特殊手段补偿，也导致大量氧气随燃气排放，造成浪费。
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另一个办法是回到端面燃烧，但在药柱内像蜂窝煤一样钻上多个长孔，液体氧化剂从孔内流到端面，与端面的固体燃料产生燃烧。这避免了内壁燃烧的很多问题，但确保氧气在端面流出后“回过头来”与端面的固体燃料可靠接触和燃烧是一个难题。
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还有一个办法是将两者结合，端面不再是平直的，而是在每一个氧化剂孔道的出口形成一个钟形腔，氧气流出扩散时，自然与钟形的腔面上的固体燃料接触，形成可靠燃烧，钟形面才是燃烧面。钟形面在燃烧中平行向前移动，逐渐燃耗整个药柱。这对钟形面的形成和移动的控制要求非常高。
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但是，换一个思路，用两级燃烧，或许这些问题迎刃而解。
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首先用简单的固体火箭部份形成高温燃气，但固体火箭部份富含燃料，而氧化剂较少，因此在固体火箭部份是贫氧燃烧，燃气里依然含有大量未燃烧的燃料。高温贫氧燃气注入燃烧室后，与液体氧化剂混合，进一步燃烧，产生推力。固体火箭的技术已经成熟，贫氧固体推进剂只是配方的问题，并无不可克服的技术困难，在固定的燃烧室里与液体氧化剂混合燃烧则容易控制燃烧条件，也不再有传统固液火箭的液体氧化剂输送到燃烧面的难题。
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更大的好处是，液体氧化剂可以很容易地调节流量。换句话说，固定的贫氧燃气流量与可变的液体氧化剂流量相结合，在稠密大气层内时，可以节约使用，甚至不用，直接用空气燃烧；随着高度的不断增加，逐步增加液体氧化剂的流量，直至完全取代。这可以大量节约所需氧化剂的重量，或者把本来用于氧化剂的重量转用于更多的燃料，增加射程。
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这也可以是火箭冲压发动机的补充。“流星”中程空空导弹就是用固体火箭形成高温贫氧燃气，然后进入冲压发动机，与吸入的空气混合燃烧，产生推力。问题是冲压发动机对进气条件比较苛刻，而空空导弹的高度、迎角变化很大，难以保证可靠工作。或许需要可调进气道对不同大气条件进行均衡化补偿，导致重量和推力损失。用液体氧化剂补充，维持稳定工作条件，就可以用简单、高效的固定进气道解决冲压发动机的工作难题，并在极大高度范围内可靠工作。这实际上是固液火箭-冲压发动机了。
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固液火箭可能成为下一代导弹动力，DARPA正在研制的Opfires据说就采用固液火箭发动机。要是在大气层内用固液火箭-冲压的第一级加速，大气层外用固液火箭的第二级进一步加速，这就好玩了。
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