航天器发射技术中的独特动力装置优势

火箭、导弹要运动，一般又不能用高膛压的大炮把它们打出去，只好自身装上发动机，自力腾飞，扑向目标。尤其要想飞得远些，没有续航发动机或主动段的终点速度不够大，是实现不了的。

人们常见的发动机有两大类，一类是靠电能运作的，统称为电动机，一类是靠热能运作的，统称为热机。热能主要来自化学能，核能已经在利用并在继续发展之中，作为热源的太阳能也已有所利用，并正处于发展之中。

从能量转换的角度来说，任何发动机都有两个基本组成部分，即能源和能量转换机构。如汽车发动机的能源是汽油和空气，它们在汽缸（燃烧室）中燃烧，形成高温高压气体，靠这种工作介质推动活塞，接下去就是连杆、曲轴等一步步把能量转换为驱动车轮转动的机械能。所有化学能火箭发动机和空气喷气发动机，乃至利用核热能的发动机，都属于热机类。但火箭发动机和空气喷气发动机，与上述汽车发动机的结构组成是截然不同的。它们是一代新型的称作直接反作用式的发动机。由于它们具有独特的优点，所以在现代航空和航天、火箭与导弹技术中得到了广泛的和大量的使用。

所谓直接反作用式，即这种发动机不需要中间的传动装置就可以对外做功，或者说这种发动机的能源与其转换机构有机地结合为一体了。实质上是作为推进剂或燃料燃烧所形成的燃气直接给发动机内表面一个作用力，此力的作用方向与燃气流喷射方向相反，因此又称它们为喷气式发动机。直接反作用式（或喷气式发动机）按其工质来源的不同又分为两大类，一类是火箭发动机（燃烧剂和氧化剂全部带在自身内），另一类是空气喷气发动机（飞行器只携带燃烧剂或称燃料，氧化剂取自空气）。这两类发动机的工作原理示意如图2.19所示。由它们还可以组合成复合发动机，在能源方面也可以采用核、电和太阳能等。

火箭发动机堪称一种能源和转换机构结合得非常紧凑的，或许还可以说绝妙的动力装置。如图2.19（a）和（b）所示，推进剂在燃烧室燃烧后形成高温高压燃气，它以膨胀做功的形式将能量输出来，即燃气在膨胀流动并完成高速定向喷射的过程中，以压力位能的形式作用到发动机壁上形成推力，推动火箭、导弹运动。反过来，燃烧室壁给燃气以同样分布的压力逼迫燃气以高速喷射方式离开喷管。火箭发动机的结构原理就这样简单：燃烧室加喷管。特别是它的工作过程完全自主，不依靠外部环境的任何支援。它的这一优势，使之成为现阶段唯一可用于宇宙空间推进的动力装置。

空气喷气发动机的工作原理如图2.19（c）、（d）和（e）所示，与火箭发动机类似，只是它利用了一部分空气中的氧气作氧化剂。涡轮喷气发动机的涡轮是为带动前端进气口处的压缩机而设的，而压缩机的作用是将进入进气道的空气不断地压缩增压（压缩比可达5～20），以便进入燃烧室后，在较高压力条件下，与较多的燃料进行混合燃烧，目的是获得较大的推力。当然，在这一过程中，燃气对涡轮所做的那部分功是消耗功，但这是必须要付出的代价。

图2.19　直接反作用式（喷气式）发动机的工作原理示意

（a）固体火箭发动机；（b）液体火箭发动机；（c）涡轮喷气发动机；（d）涡轮风扇喷气发动机；（e）冲压喷气发动机

1.分类与结构

表2.3给出了火箭、导弹、航天器动力装置的分类、结构和应用范围。

2.特性参数

1）推力

推力是发动机最重要的参数，在2.2.3节已经详细介绍了推力的产生原理和计算方法，这里不再赘述。

表2.3　火箭、导弹、航天器动力装置的分类、结构和应用范围

续表

2）比推力

发动机的推力与推进剂的每秒消耗量之比称为比推力，即每秒消耗1 kg推进剂所产生的推力。对液体火箭发动机习惯用这一术语。它是火箭发动机的一项重要性能指标

比推力的表达式为

式中，Ps为比推力；P为推力；为推进剂每秒消耗量。

3）总冲与比冲

火箭发动机的总冲，即指发动机在全部工作时间内的推力对时间的积分，如图2.20所示。图中给出了3种不同工作过程的曲线，tk分别表示它们的总工作时间。总冲的表达式为

图2.20　火箭发动机的推力与时间曲线

当推力P为常值时，总冲I就是推力与总工作时间的乘积，即

总冲是火箭发动机的重要性能参数。它表示发动机工作能力的大小，决定了火箭、导弹的射程。细言之，同值的总冲，既可以用大推力短时间获得，也可以用小推力长时间获得。这要根据火箭、导弹的具体功能和技术要求进行具体选择。

火箭发动机的比冲是指总冲与推进剂消耗总量之比，或者说，消耗1 kg推进剂所产生的冲量，用符号Is表示。

依据定义，比冲的表达式为

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比冲是火箭发动机的重要参数，对固体火箭发动机习惯用此术语。

因为

式中，uef为有效喷气速度。

故

当、uef皆为常值时，

将上式的I代入式（2.3.4），得

这说明，比冲与有效喷气速度的含义不同，但实质上是等量齐观的。

若将式（2.3.5）的MP和式（2.3.3）的I代入式（2.3.4），则得

这又说明，比冲与比推力虽然从不同概念引出，但实质上又是可以等量齐观的参数。

联系式（2.3.8）和式（2.3.9），可以得出

以上这几个参数不仅分别是发动机的重要参数，而且三位一体的概念也是很重要的。

联系2.2.6节的理想速度公式

就是因为Is＝uef可以等同引用。同时也说明VI与uef、Is、Ps成正比，这几个参数很重要。

对液体火箭发动机习惯用比推力是因为液体火箭发动机的推力和推进剂每秒消耗量易于在试验中测得，而固体火箭发动机习惯用比冲，是因为固体火箭发动机的总冲量易于在试验中测得。

4）发动机的推重比、重量比和单位迎面推力

还有一些比较重要的特性参数，下面简单介绍一下。

（1）推重比。

发动机的推力与动力装置的结构净重（不含推进剂和其他注入物）之比称为发动机的推重比。注意，火箭、导弹有一个“推重比”，那是指推力与火箭、导弹的起飞重量之比。发动机的推重比的含义就是1 kg动力装置的结构净重所产生的推力。因此，它反映了动力装置的重量特性。

（2）重量比。

固体火箭发动机的推力随环境温度的变化较大，这使推重比的变化也较大，故改用重量比代替推重比更为恰当。所谓重量比是指推进剂重量与动力装置总重量（含装药重量）之比，即装药重量占动力装置总重量的百分比，它反映了发动机结构设计的重量特性。固体火箭发动机的重量比目前已达0.85以上。对于任何固体推进剂来说，其装药重量正好反映了总冲的大小，故重量比实际上反映了总冲量与动力装置总重量的比值。若以此比值计，目前已达1 000 N·s／kg，先进者可达1 750 N·s／kg。

（3）单位迎面推力。

单位迎面推力是指发动机的推力与其最大横截面积之比，即每单位迎面面积所产生的推力。它从一个侧面（主要是空气动力特性方面）反映了发动机设计的好坏。在一定推力下迎面面积小，有可能减小火箭、导弹的空气阻力。

3.推进剂

1）液体推进剂

液体推进剂由燃烧剂和氧化剂组成，是液体火箭发动机的能源和工质。按其组元分，有单组元（燃烧剂与氧化剂混合或化合在一起）、双组元（二者分开）和三组元（尚处在研究阶段）推进剂。双组元推进剂又分为自燃（二组元相遇即自发燃烧）和非自燃、高沸点和低沸点剂。常用的燃烧剂有液氢、乙醇、煤油和肼及其衍生物。常用的氧化剂有液氧、液氟、过氧化氢、硝酸和四氧化二氮等。

2）固体推进剂

固体推进剂通常又称为火药，是固体火箭发动机的能源和工质，其燃烧剂和氧化剂都是固体，并结合成一体。依据二者的组合情况，火药可分为：均质火药，它又分为单质药、双基药（即胶体药，以硝化纤维与硝化甘油为基本成分）；改性双基药（添加过氯酸铵、铝粉成分）；异质火药，又分为黑火药和复合药。