新一代火箭的“心脏”-发动机

昨天，小编看了央视的《2016“感动中国”人物评选颁奖晚会》，其中最让我感动和热血澎湃的是孙家栋院士。孙家栋是中科院院士、探月工程总设计师、“两弹一星”功勋科学家，是中国第一枚导弹、第一颗人造地球卫星、第一颗遥感探测卫星、第一颗返回式卫星的技术负责人、总设计师。总而言之孙家栋院士为我国的航天事业做出了突出贡献。其实，在今年春晚时11名航天英雄集体亮相也着实让小编感动了一把。小编对中国的航天人保有深深的崇敬之情。但是作为一个航外人，小编还是想了解一下航天相关的知识。今天大家跟小编一起来看看火箭的核心-火箭发动机。

人们在射击时会感觉到当子弹射出枪口时枪身会向后坐，也就是说枪身向后移动。这个力量很大，有时会把人打一个跟头。这就是我们经常说的牛顿第三定律的体现，即“两个物体之间的作用力和反作用力总是大小相等，方向相反，作用在一条直线上”。火箭的发射就是利用这个原理。

现代火箭内储存大量的燃料和氧化剂，燃料和氧化剂起反应，也就是所说燃烧，会产生高压气体，火箭就是利用这些高压气体喷出后产生的反作用力飞起来的。火箭与飞机都储存有大量的燃料，但是火箭与飞机的发动机有很大的不同，飞机发动机要吸入空气，利用空气中的氧气燃烧，但火箭不同。火箭所需的氧化剂并非来自空气，而是来自火箭的内部；这是火箭与飞机飞行时很重要的区别。因此，飞机不能在没有空气的地方飞行，而火箭在没有空气的地方也能飞行。

火箭的起源和发展史

据罗马作家格利乌斯所述，公元前400年，一位名叫阿尔希塔斯的希腊毕达哥拉斯信徒用蒸汽推动一只木鸟沿直线前行，然而因推力不足而无法离地。

公元一世纪诞生了“汽转球”（亦称Heros engine）实际由一台固定在轴承上的热水发动机组成，它的诞生早于工业革命近两千年。显然汽转球更像一个玩具，其背后的原理并不为人们所熟知，而其真正的价值数千年间都没有被发掘。

使用黑火药发射物体成为后来固体火箭的先驱，九世纪中国的道士在炼制长生不老药中无意发明了火药，这项意外发明导致世界上第一种离地火箭发动机“火炮”（震天雷之类）的诞生。火箭是中国古代的重大发明之一。公元969年，中国已经发明了火药(火药是在唐朝发明的)。北宋军官岳义方、冯继升造出了世界上第一个以火药为动力的飞行兵器-火箭。这种火箭由箭身和药筒组成。药筒用竹、厚纸制成，内充火药，前端封死，后端引出导火绳，点燃后，火药燃烧产生的气体向后喷出，以气体的反作用力把火箭推向前，飞行中杀伤敌兵。一种最早的原始火箭在工作原理上与现代火箭没有什么不同。公元12世纪中叶，原始的火箭经过改进后，广泛地用于战争。如公元1161年宋军与金兵的“采石之战”中所使用的“霹雳炮”，其实就是一种火箭兵器。当时在中国民间广为流行的能高飞的“火流星”(亦称“起火”)，实际就是世界上第一种观赏性火箭。

元、明之后，即公元13世纪以后，中国的火箭兵器在战争中有了很大发展，并发明了许多与现代火箭类型相近的火箭形式。

中国古代还曾有过火箭载人飞行的尝试。据史书记载，14世纪末，明朝一勇敢者万户坐在装有47个当时最大的火箭的椅子上，双手各持一大风筝，试图借助火箭的推力和风筝的升力实现飞行的梦想。尽管这次试验是一次失败的悲剧，但万户被公认是尝试利用火箭飞行的世界第一人。为了纪念万户，月球上的一个环形山以万户的名字命名。

13世纪中叶，蒙古人入侵中亚、西亚和欧洲，阿拉伯人侵略西班牙，他们把中国的火箭技术传入了欧洲及世界其它地区。到了这时，德意志的艾伯特斯·麦格诺才在欧洲首次记述了关于制作火箭的技术。欧洲人最早使用火箭兵器，是在9年意大利的帕多亚战争和0年的威尼斯之战中。

近代将火箭用于战争开始于英国人康格列夫。7年英军围攻丹麦的哥本哈根，发射了康格列夫制造的火箭，烧毁了城内的大部分建筑，使城市一半化为平地。据说在滑铁卢与拿破仑大战中英军也使用了这种火箭。

20世纪前，火箭技术都发展缓慢，直到康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基在他的著作中首次提到了液体燃料火箭。而将之变为现实应该归功于罗伯特·戈达德，在他将渐缩渐阔喷管首次用于火箭，这加倍了推力并使工作效率成倍提高。

使用火箭进行宇宙航行，俄国的齐奥尔科夫是理论上的奠基人。他首次说明了火箭推进的理论，奠定了日后研制远程火箭的基础。

1957年10月4日，前苏联发射了人类第一颗人造卫星”史普尼克”。几个月后，1958年1月31日，美国也成功的发射了人造地球卫星”探险者”1号。1961年4月12日，苏联成功地发射了世界上第一个载人宇宙飞船，加加林成为世界上第一名宇航员。此后，美国人格伦也乘飞船完成了绕地球轨道的飞行。这些重大的宇宙飞行都是以火箭技术的发展为前提的。

分级燃烧循环是阿列克谢·伊萨耶夫在1949年首次提出的，伊萨耶夫的前助理梅尔尼科夫设计的用于苏联行星火箭S1的 5400发动机首次采用了这种循环。几乎在同时，（1959年） 尼古拉· 库兹涅佐夫开始为科罗廖夫的轨道洲际导弹GR-1设计闭合循环发动机NK-9。库兹涅佐夫后来根据此方案设计了工作在N1火箭上的NK-15和NK-33。在西方，首台实验室分级燃烧发动机是由德国工程师路德维希·伯尔科（Ludwig Boelkow）于1963年制造的。

液氢发动是首先在美国研制成功的，即在1962年试飞成功的RL-10。液氢发动机也成功服务于阿波罗计划。航天飞机主发动机（SSME）是目前在使用的比冲最高的发动机。

火箭发动机是一种仅使用存储的火箭推进剂来形成其高速推进射流的喷气发动机。火箭发动机是反作用发动机，根据牛顿第三定律获得推力。虽然也存在非燃烧式（如冷气推进器）火箭，大多数火箭发动机是内燃机。由火箭发动机推进的物体称为火箭。由于它们不需要外部材料来形成射流，火箭发动机可以在真空执行，因此可以用于推进航天器和弹道导弹。目前发射的人造卫星、 月球飞船以及各种宇宙飞行器所用的推进装置，都是火箭发动机。

与其他类型的喷气发动机相比，火箭发动机具有最高的推力，是迄今为止最轻的，但是推进剂效率最低（具有最低比冲量）。理想的排气是所有气体中最轻的氢气，但化学火箭产生较重的物质混合物，降低排气速度。火箭发动机在高速度下变得更加有效（由于更大的推进效率和Oberth效应）。由于它们不需要大气，非常适合在非常高的高度和太空使用。“火箭”也用作“火箭发动机”的缩写。

在发展现代火箭技术方面，中国的钱学森、美国的W. von布劳恩和苏联的S. P. 科罗廖夫等都做出了杰出的贡献。火箭的基本组成部分有推进系统、箭体和有效载荷。

火箭推进系统是火箭赖以飞行的动力源。其中火箭发动机按其工质，可分为化学火箭发动机、核火箭发动机、电火箭发动机和光子火箭发动机等。广泛使用的是化学火箭发动机，现代火箭发动机主要分固体推进剂和液体推进剂发动机。所谓“推进剂”就是燃料（燃烧剂）加氧化剂的合称。推力与推进剂每秒消耗量之比称为比冲，它是发动机性能的主要指标，其高低与发动机设计、制造水平有关，但主要取决于所选用的推进剂的性能。火箭发动机的推力，是根据其特点和用途选定的，其大小相差很大，小到微牛，如电火箭发动机；大到十几兆牛，如美国航天飞机的固体火箭助推器。

固体火箭发动机

固体火箭发动机为使用固体推进剂的化学火箭发动机。固体推进剂有聚氨酯、聚丁二烯、端羟基聚丁二烯、硝酸酯增塑聚醚等。固体推进剂是由氧化剂、燃料（可燃剂）和其他添加剂组成的固态混合物，按配方组分性质可分为单基推进剂、双基推进剂、复合推进剂、改性双基推进剂等；按质地的均匀性分为均质推进剂（如单基、双基推进剂）和异质推进剂（如复合推进剂和改性双基推进剂）。

复合推进剂使用单独的可燃剂和氧化剂材料，以液态高分子聚合物粘合剂作为燃料，添加结晶状的氧化剂固体填料和其它添加剂，融合凝固成多相物体。为提高能量和密度还可加入一些粉末状轻金属材料作为可燃剂，如铝粉（Al）。复合推进剂通常以粘合剂的化学名称来命名。复合推进剂综合性能良好，使用温度范围较宽，能量较高，力学性能较好，广泛用于各种类型的固体火箭发动机，尤其是大型火箭发动机。

改进双击推进剂是在双基推进剂的基础上大幅降低基本组分硝化纤维素和硝化甘油的比例，加入高能量固体组分，包括氧化剂（高氯酸胺AP，高能炸药黑索金[RDX]或奥克托金[HMX]等）和可燃剂（铝粉等）。而硝酸酯增塑聚醚推进剂（NEPE）实质上还是属于交联改性双基推进剂，NEPE推进剂不仅能量水平高密度大而且力学性能好，代表着现役固体推进剂的最高水准。

美国在80年代初研发成功NEPE推进剂，并应用到“和平卫士”的第三级发动机、“侏儒”小型洲际导弹的所有三级发动机和“三叉戟D5”潜射战略导弹的所有三级发动机，其中用于“三叉戟D5”的配方被称为NEPE-75，表示固体填料（包括HMX/AP/Al）达到推进剂总重的75%。法国的M51也使用了NEPE。据公开资料分析，我国似乎已能生产NEPE，并应用到战略导弹中。

在固体火箭方面，中国科工集团研制了首枚全固体燃料四级运载火箭KT-1，用于发射小卫星以及微型卫星，运载能力为低地轨道100千克以下有效载荷。KT-1系列还有改进型KT-1A和带固体助推器的版本KT-1B(原来的KT-2系列火箭)。KT-1的发动机等技术来源于固体中程弹道导弹DF-21，直径为1.4米，第一，二级采用采用FG-05D发动机，三子级和四子级采用FG-53和FG-54发动机。其中值得注意的是，FG-54发动机壳体是我国第一个采用碳复合材料的型号发动机壳体，于2003年9月通过全箭飞行试验(也是KT-1的首次发射成功)。

与液体发动机使用的冷却喷管不同，固体火箭发动机使用的是烧蚀喷管。喷管工作环境都是高温高压，特别是喉衬要耐受摄氏2500至3000度高速气流冲刷。喷管入口段和喉衬使用耐高温烧蚀材料；出口锥由多层材料制造，内壁使用耐烧蚀材料，外壳是出口锥的承力结构件，外壳与内壁之间为隔热层，使用胶粘剂对内壁外壳和隔热层进行粘贴固化，至关重要的还有防热环（O形密封圈）结构。

早期的固体发动机喷管是多段多层多种材料构成的积木式喷管，喉衬采用金属（如钨合金）和热解石墨烧蚀材料，承力构件使用钢或铝合金，非常笨重。80年代以后随着复合材料技术的迅猛发展，已趋向使用碳基复合材料作为喷管的结构和功能材料，入口段与喉衬可采用整体式三向或四向碳/碳编织物作为很高热流条件下的耐烧蚀材料，出口锥及延伸喷管内壁可用碳/酚醛复合材料作为较高热流条件下的耐烧蚀材料，承力结构件可使用碳纤维增强复合材料。由于碳/碳复合材料具有重量轻、耐高温、强度大、耐烧蚀、抗震动等众多优点，发展的趋向将是使用碳/碳材料作为喷管的结构/功能一体化材料，制造出全碳/碳喷管。

“三叉戟C4”发动机喷管喉衬为热解石墨，外壳为铝合金；出口锥结构件为石墨/环氧材料，内壁烧蚀层为碳布/酚醛。“三叉戟D5”喉衬均为整体式三向碳/碳编织物，出口锥为碳/酚醛；第二级采用了延伸喷管，延伸锥为碳/碳材料。“和平卫士”MX第一级喷管采用整体式三向碳/碳材料；第二级的入口段和喉衬为三向碳/碳编织物整体构件，由包覆碳/酚醛绝热层的钢构件支撑；出口锥烧蚀层为碳/酚醛带；第三级喷管的主承力结构为铝合金，入口段由石墨/酚醛布制成，喉衬为整体式三向碳/碳编织物，出口锥烧蚀层为碳/酚醛带；二、三级采用了延伸喷管，延伸锥为三向碳/碳材料。“侏儒”则采用了三向全碳/碳喷管。

俄罗斯、法国、日本的固体发动机喷管的喉衬、出口锥、延伸喷管也普遍应用了碳/碳复合材料。

据公开资料，我国固体发动机喷管喉衬材料基本与国外水平同步，已经掌握延伸喷管技术，但大型喷管扩张段/延伸段结构件材料目前主要采用采用碳/酚醛烧蚀层、高硅氧/酚醛缠绕隔热层及玻璃纤维/环氧缠绕结构层，耐温性与刚度较低，结构重量较大；扩张段和防热环技术与国外还有相当差距。

液体火箭发动机

液体火箭发动机是指液体推进剂的化学火箭发动机。常用的液体氧化剂有液态氧、四氧化二氮等，燃烧剂由液氢、偏二甲肼、煤油等。氧化剂和燃烧剂必须储存在不同的储箱中。而我们常听到的低温推进剂火箭发动机是指使用低沸点的低温推进剂的液体火箭发动机。

低温推进剂在地面和空间使用环境温度下不可贮存，只有在极低环境温度下才能在贮箱内长期保持液态。液氧、液氢、液氟、液态甲烷和液态氟化氧等液化气体都属于低温组元。它们在常温、常压下需要采用特殊容器保存，如杜瓦容器和双层真空绝热贮箱等。容器所用的金属结构材料及非金属材料必须与组元相容，并且需具有良好的低温性能和特性，避免低温脆性。液氧/液氢推进剂组合是目前使用的比冲最高的液体推进剂，在大型运载火箭和航天飞行器上被广泛应用。虽然液氟/液氢推进剂组合是化学推进剂中比冲最高的液体推进剂，但由于液氟的高毒性和高腐蚀性，至今未能得到实际应用。

低温液氢/液氧火箭发动机是当前性能最好的实用型化学火箭发动机，广泛用于运载火箭的上面级。随着低温火箭发动机技术的成熟和发展，美国、前苏联、日本、法国和中国等国已相继研制成功大推力液氢/液氧发动机。氢氧火箭发动机已应用到大型运载火箭和航天飞机的芯级上，可从地面开始点火工作，直到入轨。

在二战期间，当德国、美国和苏联的工程师独立地研究强大的火箭发动机时，都发现火箭发动机需要氧化剂和燃料的高质量流量才能提供足够的推力，此时氧和低分子量的烃作为氧化剂和燃料。

在室温和压力下，这两者均处于气态，假设推进剂存储为加压气体，燃料箱本身的尺寸和质量会严重降低火箭效率，因此，为了获得所需的质量流量，将推进剂冷却至低温温度（低于-℃【90K】，-253℃【20K】），将它们转化成液体形式，因此根据定义，所有低温火箭发动机也是液体推进剂火箭发动机或混合火箭发动机。

研究人员尝试了各种低温燃料-氧化剂组合，但是液氢（LH2）燃料和液氧（LOx）氧化剂组合是应用最广泛的。这两种组分很容易获得且便宜，并且当它们燃烧时，能够产生最高焓释放，产生大450秒的特定脉冲（有效排气速度4.4km/s）。

目前，只有六个国家已成功开发和部署LOX + LH2低温火箭发动机：

YF-77火箭发动机是中国航天推进技术研究院(中国航天科技集团公司第六研究院)为新一代大运载火箭长成为我国新一代运载火箭的主要动力。渣016年发射的长征5号运载火箭就使用了2台YF-77发动机。YF-77是目前我国最先进的液体火箭发动机。但是YF-77发动机在技术距离世界先进水平较远。

从推力上说，YF-77可以说是世界新一代运载火箭氢氧发动机中推力最小的型号，不仅无法与德尔塔 IV火箭RS-68发动机的 344吨真空推力相比，也远低于阿里安5上火神2发动机的吨真空推力和日本H-IIA/B火箭上LE-7A的112吨真空推力。

在氢氧发动机的比冲上，YF-77发动机偏低。美国的RS-68发动机针对大气层内飞行环境做了优化，地面比冲高达359秒接近了航天飞机主发动机(SSME)的水平。日本的LE-7A发动机采用分级燃烧循环，在比冲上天然的对燃气发生器循环有优势，真空比冲442秒。综合的说，YF-77发动机在技术上大致相当于欧空局火神发动机的水平。

所以说，中国在火箭发动机的研制工作上还有漫长的道路。

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