液體大火箭和固體大火箭的噴嘴部分有什么不同?


現(xiàn)在航天發(fā)射用的大火箭,基本有兩種類型,一種是液體大火箭,一種是固體大火箭。兩者的工作特點(diǎn)差距較大。固體大火箭的最大特點(diǎn)就是推力大,燃燒迅速。推重比高,因此起飛時(shí)候的加速度比較大,這種特點(diǎn)適合各種導(dǎo)彈。可以減少助推時(shí)間,盡快脫離大氣層,防止各種反導(dǎo)系統(tǒng)在起飛階段對(duì)導(dǎo)彈彈體和彈頭的攔截。但是固體大火箭也因此有比沖小的弱點(diǎn)。所謂的比沖就是火箭發(fā)動(dòng)機(jī)工作時(shí)間的長(zhǎng)短。一般固體大火箭只能工作200多秒就燒完了。而液態(tài)大火箭有很多可以工作到500秒以上。雖然推重比大多數(shù)時(shí)候不如固體火箭,但是液態(tài)大火箭工作過(guò)程長(zhǎng),總比沖大,因此發(fā)射大噸位的太空載荷,還是以液態(tài)火箭為主要?jiǎng)恿?。像美?guó)過(guò)去發(fā)射的航天飛機(jī),就是采用2枚大直徑固體火箭當(dāng)助推器,而帶著一個(gè)裝滿液體燃料和氧化劑的大罐子當(dāng)主火箭,共同把航天飛機(jī)推上軌道。
液體火箭的特點(diǎn)和固體大火箭也有結(jié)構(gòu)上的本質(zhì)不同。液體大火箭只有尾部很小的一段是真正的發(fā)動(dòng)機(jī)系統(tǒng)。其他大部分火箭本體都是燃料和氧化劑儲(chǔ)存罐,不加注燃料和氧化劑的大液體火箭,本身的自重很輕,因?yàn)槿剂蟽?chǔ)存箱的外殼往往只有幾毫米,說(shuō)他是一個(gè)巨大的空易拉罐是非常貼切的。而固體大火箭的固體燃料是早早的澆筑在火箭本體內(nèi)部的,他的本體和外殼加起來(lái)就是一個(gè)大發(fā)動(dòng)機(jī),這點(diǎn)上造成兩者的工作過(guò)程和噴嘴都有巨大的不同。

這個(gè)不同用專業(yè)的說(shuō)法,就是兩者的推力室不同?,F(xiàn)在大型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的整個(gè)推力室,包括燃燒室和噴管喉部以及緊挨著喉部的前后收斂——擴(kuò)張段,也就是我們平時(shí)所看見(jiàn)和所說(shuō)的外觀明顯的大噴嘴。而固體火箭的推力室的部分比液體大火箭大的多,但是噴嘴卻不是那么明顯,這是為何呢?
液體大火箭的噴嘴外觀特別大特別明顯,這是因?yàn)橐后w大火箭的噴嘴往往結(jié)構(gòu)復(fù)雜,是帶內(nèi)部夾層,而且有液體燃料管道提前經(jīng)過(guò)這里循環(huán)加熱,在加熱的過(guò)程中,自然也起到了對(duì)噴嘴降溫的附帶作用。這在專業(yè)上叫做再生冷卻。液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)推力室采用再生冷卻有幾個(gè)好處:第一,液體燃料得到預(yù)熱,燃燒過(guò)程更完全。第二,整個(gè)推力室系統(tǒng)得到冷卻,可靠工作時(shí)間大大加長(zhǎng),工況更高,還可以多次啟動(dòng),甚至有重復(fù)使用的潛力。第三,推力室內(nèi)部液膜冷卻,推力室可以做輕做薄降低干重,提高載荷系數(shù)。而固體大火箭推力室不需要循環(huán)冷卻也無(wú)法循環(huán),因?yàn)樗械娜剂虾脱趸瘎┰缇湍淘谝黄鹆?。固體火箭的推力室——噴嘴系統(tǒng),一般采用燒蝕+輻射冷卻。固體火箭工作時(shí)間比較短,一般也不需要多次啟動(dòng)。說(shuō)到底就是靠材料的強(qiáng)度硬抗高溫高壓。一些小型液體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的燃燒室也沒(méi)有復(fù)雜的冷卻循環(huán)系統(tǒng),但發(fā)動(dòng)機(jī)功率小,也容易硬扛。沒(méi)有冷卻循環(huán)需要靠自身材料硬扛的固體大火箭的噴嘴部分和少數(shù)沒(méi)有循環(huán)系統(tǒng)的小液體火箭的噴嘴,就不需要做得內(nèi)部結(jié)構(gòu)復(fù)雜,帶夾層和循環(huán)管道的大火箭的噴嘴那么巨大,但是材料的厚度就需要更厚一些。

無(wú)論哪種火箭的噴嘴,目前多采用含銀的鎢合金材料制造,可以耐受3000度高溫?cái)?shù)百秒,因此成本還是比較高的。固體火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管不冷卻還有一個(gè)重要原因,固體發(fā)動(dòng)機(jī)火焰中含有大量的固體顆粒物,就像高速噴出的沙子,對(duì)于噴管的沖蝕是無(wú)法消除的,只能用加厚的抗燒蝕材料。