中国新体制火箭首飞成功,火箭发动机加新冲压发动机,有什么意义

2022-01-25 00:20:42 华笺流香
0人跟贴

今年1月24号,清华大学研制的新型火箭发射成功。

它的意义并不仅在于技术创新,而在于组合形式上的创新,火箭第2级是一个液体火箭,但是它的上面一级却串联了一个特殊的冲压发动机

▍什么是冲压发动机?

冲压发动机是一种需要在空气中才能工作的发动机,它不自带氧化剂,需要利用大气层中的氧气。

普通的航空发动机在燃烧室前面有一系列的涡轮叶片,空气进入燃烧室需要经过这些涡轮叶片加压。

但是叶片也会产生前进的阻力,随着发动机速度增加,叶片的阻力会不断提高。

当飞行速度超过2.5马赫以上的时候,压缩机叶片产生的阻力基本上就和发动机产生的推力相当了,这个时候就没有办法再提高速度了。

如果此时把航空发动机压缩机叶片取消,空气在发动机的前冲力下,可以直接经鼻锥压缩进入燃烧室。这种发动机就叫做冲压发动机。

著名的高超音速飞机 SR71黑鸟,在达到2.5马赫的时候,就要让发动机进入冲压工作体制,然后加速到三马赫巡航。

从工作原理上就可以看出,冲压发动机需要在比较高的速度条件下才能工作。

▍为什么要用火箭发动机和冲压发动机组合在一起?

火箭发动机必须自带燃料。我们知道氢燃烧会形成水,那么水的化学分子式是两个氢原子加一个氧。

氧原子的原子量是16,氢原子的原子量是1。也就是说,火箭中氧和氢燃料的比例是8:1。

所以一个火箭的重量,绝大部分都是氧化剂。美国用于登月的土星5号火箭,第1级F1火箭发动机每秒钟要消耗1790公斤液氧,土星5号火箭重量是3000吨,其中2000吨是液氧。

火箭在飞离地球的过程中,有 一段 是在大气层中飞行的,如果能够利用空气中的氧气作为火箭飞行的氧化剂,火箭就可以带更多燃料,飞得更远。

这就是火箭发动机和冲压发动机组合的意义。

火箭发动机和冲压发动机结合在一起,有很多种形式,一般的情况下这两种发动机需要并列布置,因为串联布置会让一个发动机挡住另外一个发动机的喷口。

但是,在本次实验中,清华大学试飞的组合发动机是冲压发动机放在了火箭发动机的前面。

因此从实验画面上来看,冲压发动机喷出来的火焰是从侧面喷出来的。

▍对实验画面的进一步解读。

按照动画演示的过程,头部的冲压发动机在燃烧室中点火以后,火焰经过尾部锥形塞要第2次点火,应该是从这个锥形塞里面再喷出来燃料,再次燃烧。

也就是说,这个发动机和普通冲压发动机的差别在于:普通的冲压发动机只有一次点火,一次喷出燃料的过程;1月24号的新发动机有两次点火和两次喷出燃料的过程。

这相当于进入发动机的氧气,经过一次富氧燃烧加热膨胀以后,再进行第2次燃烧。

从原理上来说,这样可以提高燃料的燃烧效率。

▍高速发动机的燃烧难题。

火箭发动机、冲压发动机内部燃料的喷射过程、燃烧过程,速度极高。

土星5火箭第1级F1发动机,一秒钟要消耗780公斤煤油,大量燃料喷到燃烧室中,如何充分燃烧是一个难题。

另一方面,液氧的温度在零下180度,进入发动机之前,要从液态转化为气态。

F1发动机有很多缠绕在燃烧室外面的管道,有一部分就是燃料和氧化剂的预热管道。

而且,现在最新设计的火箭发动机,不仅要预热燃料、液氧,而且还要进行分级燃烧。

所谓的分级燃烧,是大量氧化剂和少量燃料燃烧一次,少量氧化剂和大量燃料燃烧一次,然后再进入燃烧室里面燃烧。

这种火箭发动机就叫做全流量分级燃烧火箭发动机,美国space X公司的猛禽火箭发动机就是全流量分级燃烧。

清华大学这款新的冲压发动机,应该是借鉴了分级燃烧的原理,效率更高,推力更大。

▍新冲压发动机的意义。

执行本次实验任务的火箭是“清航.大兴号”两级火箭,第1级火箭分离以后,第2级火箭将新发动机推到预定的高度和速度。

实验完成以后,火箭中部弹出降落伞进行了回收。

根据研究团队的介绍,该冲压发动机目前处于国际最前沿领域,前途不可限量。

这种新型的冲压发动机,有望突破原有冲压发动机的限制,实现超大功率和超大推力。

我们可以想象,如果火箭中部弹出的不是降落伞而是翅膀的话,那就意味着火箭可以自主完成降落,也可以在大气层中自主飞行。

今后进入外太空,可以充分利用大气层中的氧气。

它后面有火箭发动机,可以在大气层、外太空之间反复穿梭。从原理上说,与清华大学的新火箭技术相比, Space X公司的返回式火箭在技术层面已经落伍。

今后太空旅行的成本会大幅度降低,该发动机研制成功时,Space X公司的返回式火箭就成昔日黄花。

特别声明:以上内容(如有图片或视频亦包括在内)为自媒体平台“网易号”用户上传并发布,本平台仅提供信息存储服务。

Notice: The content above (including the pictures and videos if any) is uploaded and posted by a user of NetEase Hao, which is a social media platform and only provides information storage services.

相关推荐

10:02