星際航行概論之大推力運載火箭-----錢學森

07-22

運載火箭有很多種分類方法按照推力劃分，有小推力級，中等推力級，大推力級……按照飛行軌道劃分，有地球同步軌道，近地軌道，太陽同步軌道……按照結構和布置劃分，有多級火箭，單級火箭……不過我們可以說出最常見的一種劃分方式：根據火箭採用的推進劑種類，火箭分為液體火箭和固體火箭。這裡必須澄清一個概念就是燃料和推進劑：由於運載火箭的發動機工作不依賴大氣層的空氣，所以它必須自身攜帶氧化劑以維持發動機內的正常燃燒，這樣，我們通常把燃料和氧化劑的組合統稱為推進劑。液體運載火箭採用液體燃料發動機，選擇什麼樣的液體推進劑，是一門很大的學問：推進劑的比衝要足夠大（單位重量燃料燃燒產生的衝量），這樣才能提高燃料的噴氣速度，使火箭達到更高的性能。但是光比沖大還不行，液體燃料還必須有比較高的熱穩定性，燃燒穩定性，化學穩定性的「三穩」特性，較寬的液態溫度範圍，較低的粘度。此外還有幾個因素需要重點考慮：1.毒性。有毒的燃料會對實驗室，製造廠和現場發射人員的身體健康造成損害，而且易產生環境污染。2.腐蝕性。如果採用了高腐蝕性的推進劑，那麼運載火箭的推進劑儲箱就必須採用昂貴的耐腐蝕合金製造，這樣就推高了火箭的成本，而且有腐蝕性的推進劑還會腐蝕離心泵軸承，管路，閥門，噴嘴等部件，使之產生變形，影響運載火箭發動機的正常運行和控制特性。3.經濟性，火箭的推進劑一種大量消耗的產品，必須可以保證大批量高效率的工業生產，同時還得有低廉的價格。最早的液體火箭（納粹德國的V-2）是採用液氧作為氧化劑，無水酒精作為燃料的推進劑。經過多年的試驗，人類已經探索出了很多種推進劑的組合：煤油/雙氧水，聯氨/四氧化二氮，偏二甲肼/四氧化二氮，液氫/液氧，煤油/液氧等。目前國際主流的大推力液體火箭發動機都採用了煤油/液氧推進劑（RP-1/LOX）。我們新一代的「長征五號」運載火箭也將採用國產大推力液氧煤油發動機作為動力裝置。和上一代的偏二甲肼/四氧化二氮（UDMH/N2O4）推進劑相比，煤油/液氧（RP-1/LOX）組合雖然價格更高（航天使用的煤油必須經過特殊的精鍊，所以價格會非常高），但是卻安全，無毒，比沖也更高。所以更適合作為未來大推力火箭的推進劑。液體火箭的優點非常明顯：比沖大，推力大，價格低廉，控制手段多樣而且方便，理論成熟，技術可靠。非常適合作為大推力運載火箭使用，所以液體運載火箭也是目前國際上主流的使用的一類型號。常見的火箭大部分都是液體推進劑的。

和液體火箭不同，有一類火箭使用固體推進劑，故名固體火箭。事實上，相比1926年才誕生的液體火箭，固體火箭的歷史更加悠久，但現在它的地位已經越來越重要了。固體火箭的推進劑是固體，一般採用過氯酸銨/聚丁二烯/鋁粉組合，過氯酸銨/聚胺基甲酸酯/鋁粉，澆鑄雙基推進劑，擠壓雙基推進劑等。事實上固體火箭的發展，是隨著化學工業的發展而進步的，現代化學工業足以為其提供越來越先進的推進劑。由於固體火箭不需要考慮推進劑輸送問題，所以設計火箭發動機的工作就簡化了很多，不再需要設計複雜的管路，閥門，流量儀錶，渦輪泵，擠壓鋼瓶等設備，極大的減輕了火箭的結構重量。而火箭發動機也可以做的小一些，簡單一些，提高了可靠性。但是固體火箭有一個致命的弱點就是控制很困難，需要將固體推進劑設計成適當的葯柱形狀（葯柱通常是被澆鑄在燃燒室內，然後採用內孔燃燒以控制其燃燒過程），並且控制葯柱的燃燒過程。而且固體火箭發動機一旦點燃也很難再關機或者重新點火，而必須要一次性的將其燒完。由於固體推進劑的成本更高（比液體推進劑高很多倍），加上控制困難，推力也一般較小（因為固體燃料比沖低），所以價格往往很昂貴，但是固體火箭有一大好處就是火箭發射前可以省略加註推進劑這一極其耗時而且非常麻煩而危險的工作（因為推進劑事先已經被澆鑄到燃燒室內壁了），所以發射工序簡化，發射效率和安全性也極大的提高。所以一般而言，固體推進劑多是用在遠程彈道導彈這類對快速反應性要求很高的場合，對於重視成本控制的商業發射來說，固體火箭應用很少。一般是用來做助推器，比如美國的太空梭，俄羅斯的「質子」號火箭，歐洲的「阿麗亞娜-5」等運載火箭都有固體助推器。

運載火箭要想把衛星送上太空必須達到第一宇宙速度（約為7.9km/s）。但是火箭的速度卻是一個只跟前後質量比有關的量：V=c×ln(M1/M2),其中V為火箭所能達到的最高速度，c為有效噴氣速度，M1表示發射前火箭的質量。M2表示推進劑消耗光之後的火箭質量。從這個公式我們可以看出，火箭要想飛得快，就必須採用兩種方法，一是增大噴氣速度，二是增大推進劑佔據火箭總重量的比例。換句話說就是儘可能的減少火箭結構本身的重量。但是我們很悲哀的發現這兩條路都走不通，提高噴氣速度，需要比沖更高的推進劑，這個現有的推進劑性能幾乎都已經到了極限，無法達到要求，換句話說，就算我們找到了比現有的材料噴氣速度高2---3倍的新型推進劑，那麼它又會帶來新的問題如火箭的耐熱和結構強度等；增大推進劑佔據火箭總重量的比例，這樣的話又受到了材料強度的限制，這樣的火箭必然得薄得像雞蛋殼一樣毫無強度和剛度可言，恐怕稍有外力就會碎成一地碎片，更別說還需要承載那麼多的沉重的燃料，載荷和控制儀器了。以現有的技術水平製造的單級火箭，那麼它很難達到第一宇宙速度。好在火箭科研人員沒有這麼悲觀，他們提出的方案是多級火箭，即將火箭設計為多級式，每一級都有獨立的推進劑箱，發動機，控制和儀器單元，是一個獨立的整體，各級之間依靠級間結構（通常是桁架和爆炸螺栓）連接起來。火箭發射時，只點燃第一級火箭，這樣整個火箭就會如同一列火車那樣被帶動著飛上天。當第一級火箭推進劑耗盡的時候，級間機構分離，拋掉第一級火箭，然後第二級火箭在空中點火，推進劑耗盡後，再拋棄第二級，點燃第三級，以此類推……由於每一次下一級火箭的點火是在前一級火箭的速度基礎上繼續加速的，就跟接力賽一樣，所以火箭的速度會越來越快（當然，你也可以理解為火箭不斷在拋棄多餘的結構重量以提高M1/M2值）。這樣的運載火箭才有可能達到第一宇宙速度，完成將航天器送入軌道的任務。多級火箭有兩種連接方式：串聯和並聯。串聯的火箭佔地小，發射裝置簡單，飛行阻力也小，但是長細比過大，很容易失穩，而且剛性較差。並聯的火箭雖然剛性好，推力大，但是飛行阻力過大，發射裝置複雜。所以實踐中，尤其是大推力的運載火箭很少採用簡單的串聯或者並聯，而一般是主火箭採用串聯布置多級，而旁邊以並聯的方式布置助推器，這樣可以綜合它們的優點，實現最優設計。

運載火箭的結構非常複雜，但是仔細劃分一下其實也很容易看出來，從系統工程的角度來描述，運載火箭由載荷，箭體結構，動力系統，控制系統，遙測系統，外測安全系統，級間分離系統和輔助系統組成。上圖是我國自行設計製作的「長征三號甲」運載火箭的結構示意圖。這是一種非常典型的串聯式多級火箭，分為三級。火箭的第一級是一個圓筒狀殼體模塊，內部由一級氧化劑箱，箱間段，一級燃料箱，一級發動機艙組成。內部有推進劑輸送系統，推進劑為偏二甲肼/四氧化二氮（UDMH/N2O4）。第一級上裝有四台擺動式YF-21B火箭發動機，可以通過伺服機構帶動沿著切向擺動，從而調整推力的方向。一級火箭的上方是通過級間機構（桿系）聯接起來的第二級火箭，內部同樣有燃料箱和氧化劑箱。同樣為偏二甲肼/四氧化二氮推進劑，但是發動機艙的布置與第一級不同，中部是一台固定式噴口的主發動機，周邊裝了四台推力為4.8噸的遊動發動機（簡稱游機），這些游機的噴口可以通過伺服裝置操縱轉向來控制火箭在空間的姿態。最上方為第三級，燃料為液氫/液氧（LH2/LOX），使用具有再點火能力的YF-73發動機。第三級的頂端是儀器艙，因為這個地方是全箭振動最小的地方，精密的控制設備和測量儀器在這裡比較不容易損壞，也容易獲得較好的數據。這裡安裝有火箭制導裝置（慣性平台-計算機方案），姿態控制系統（平台-速率陀螺網路）和相關設備，是整個火箭系統的中樞神經。最上方為衛星平台，上面用於安裝固定衛星或其它有效載荷，衛星平台被整流罩包裹。運載火箭上最核心的零部件當然是發動機，它是火箭系統的心臟。而液體火箭發動機的結構非常複雜（當然，它比飛機上的渦輪風扇發動機簡單多了）。主要由推進劑輸送系統，冷卻系統，燃燒室，噴管，控制裝置等部分組成。要把推進劑從推進劑箱內抽出，送入燃燒室按照比例混合燃燒，就需要推進劑輸送系統了。這也是液體火箭發動機的關鍵部分，它可以直接決定火箭發動機的性能。一般來講，火箭推進劑的輸送主要有兩種方式：壓力輸送和泵式輸送。壓力輸送的結構很簡單。在火箭上安裝一組高壓氣瓶，內部填充高壓氦氣，通過氣壓的作用把燃料和推進劑擠出來，使之進入燃燒室混合。由於高壓氣瓶都是合金鋼製造的，重量很重，而且隨著放氣的過程氣壓不均勻，無法準確控制輸送壓力，所以它一般只用在一些小型火箭上，大火箭攜帶一大堆沉重的氣瓶很不現實。60年代，美國人曾經提出過一類瘋狂的想法：運載火箭發射升空，第一級分離之後，利用高壓鋼瓶里的殘餘氣體吹起一個巨大無比的氣球，帶著火箭緩緩下降，從而將其回收重複使用。這種方法目前沒有人驗證過，但是有這方面的理論研究，所以壓力輸送法應該是還沒有被淘汰的。另一種就是誕生自德國的V-2火箭，至今仍是液體運載火箭最主要的燃料輸送方法了：泵式輸送。通常火箭上的泵可以有很多種，齒輪泵，葉輪泵都可以，不過對於大推力的運載火箭而言，只有一個選擇：渦輪泵。渦輪泵是推進劑輸送系統的動力源，也是整個液體火箭發動機的核心部件。渦輪泵包括單級/多級渦輪，齒輪箱，離心泵以及控制和輔助裝置。渦輪一般有蒸汽渦輪和燃氣渦輪兩種，現代運載火箭一般採用燃氣渦輪。在渦輪通過火藥啟動提供初始轉矩之後，燃燒室內的高溫燃氣被引流進入一個貧氧燃燒室降溫，然後送入渦輪機匣內驅動渦輪旋轉，隨後渦輪再通過齒輪減速機帶動離心泵將推進劑不斷的泵入燃燒室燃燒推動火箭前進。火箭的噴管一般採用擴張型拉伐爾噴管以適應超音速飛行的需要，因為我們都知道，超音速流在擴張管內膨脹才會得到加速。噴管外往往有冷卻裝置，而冷卻的流體往往就是推進劑，這樣既保護了高溫下工作的噴管，又預熱了推進劑，可謂一舉兩得。美國人曾經設計過一種以液氫為燃料的運載火箭，使用液氫在預熱後膨脹的動能來驅動渦輪以帶動渦輪泵組，這樣的話可以節省了沉重的燃氣發生裝置，極大減輕了運載火箭的結構重量，可謂構思巧妙。設計液體火箭的發動機並不是一件簡單的事情，需要提供成熟的燃燒理論和熱力學理論進行詳細設計，期間需要使用大量經驗積累的數據，構建合理的數學模型，使用先進的數值運算方法，最後給出詳細設計，然後還需要強大的機械加工能力生產渦輪泵，冷卻管路等精密的裝置，此外還需要配套建立先進的發動機試車台用於檢測發動機性能。而搞這些都非舉國之力所不可為也。火箭發動機不但為火箭提供了上天的動力，而且還是火箭控制系統的執行元件，需要為火箭的航向和姿態調整提供控制力矩輸入。所以發動機的控制也就是另一個需要解決的問題。最早的火箭發動機是依靠燃氣舵的，即在火箭噴射出的尾流中放置可以以一定角度傾斜的舵片，通過調整其角度來改變火箭飛行方向和姿態。但是這種方法會造成很大的推力損失所以現代運載火箭已經普遍採用擺動發動機代替了。

擺動發動機的機架被固定在一個位於燃料箱底部的擺動式發動機安裝台架上，這個台架可以被伺服裝置驅動整體擺動以調整噴口噴射燃氣的方向，通過調整噴射的角度來為火箭提供控制力矩。擺動發動機有整體擺動方案，即整台主發動機整體擺動，從而提供不同方向的推力。這種一般用於大型運載火箭的第一級發動機。也有主機-游機方案，即使用固定式的主發動機噴口，然後在其周圍布置一圈可以沿著火箭直徑的切向擺動的遊動發動機（簡稱游機）。這些游機的推力很小，主要用於提供控制力矩，並不提供推力。它可以提供極其精確的姿態控制。

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