固体推进剂火箭包括所有较旧的烟火火箭,然而,现在有更先进的燃料、设计和固体推进剂的功能。
固体推进剂火箭发明于液体燃料火箭之前。固体推进剂类型始于科学家扎西亚德科、康斯坦丁诺夫和康格里夫的贡献。现在处于先进状态的固体推进剂火箭今天仍在广泛使用,包括航天飞机双助推器发动机和三角洲系列助推器级。
表面积是暴露于内部燃烧火焰中的推进剂量,与推力直接相关。表面积的增加会增加推力,但会缩短燃烧时间,因为推进剂正在加速消耗。最佳推力通常为恒定推力,可通过在整个燃烧过程中保持恒定的表面积来实现。
恒定表面积颗粒设计的示例包括:端部燃烧、内部堆芯和外部堆芯燃烧以及内部星形堆芯燃烧。
各种形状用于优化颗粒推力关系,因为有些火箭起飞时可能需要初始高推力部件,而较低的推力足以满足其发射后的回归推力要求。在控制火箭燃料的暴露表面积时,复杂的颗粒核心图案通常在零件上涂上不易燃塑料(如醋酸纤维素)。该涂层可防止内燃火焰点燃该部分燃油,该部分燃油只有在燃烧直接到达燃油时才会点燃。
在设计火箭推进剂时,必须考虑到比冲,因为它可能是不同的失效(爆炸)和成功优化的推力产生火箭。
一个优点是固体推进剂火箭易于储存。有些火箭是小型导弹,如诚实的约翰和耐克大力士;其他是大型弹道导弹,如北极星、中士和先锋。液体推进剂可能提供更好的性能,但推进剂储存和处理接近绝对零度(0开尔文)液体的困难限制了其使用,无法满足军方对其火力的严格要求。
液体燃料火箭最早由齐奥科茨基在1896年出版的《利用反应装置研究行星际空间》中提出理论。27年后,当罗伯特·戈达德发射第一枚液体燃料火箭时,他的想法实现了。
液体燃料火箭用强大的Energiya SL-17和土星V火箭将俄国人和美国人推进太空时代。这些火箭的高推力使我们得以首次进入太空。1969年7月21日,阿姆斯特朗登上月球时,“人类迈出的巨大一步”是由土星五号火箭的800万磅推力实现的。
两个金属罐分别容纳燃料和氧化剂。由于这两种液体的性质,它们通常在发射前装入各自的储罐。由于许多液体燃料在接触时会燃烧,因此需要单独的油箱。按照设定的启动顺序,两个阀门打开,允许液体沿管道向下流动。如果这些阀门只是简单地打开,让液体推进剂流入燃烧室,就会产生微弱且不稳定的推力,因此使用加压气体供给或涡轮泵供给。
其中较简单的一种是加压供气,它为推进系统增加了一个高压储气罐。气体是一种非反应、惰性和轻气体(如氦气),在高压下由阀门/调节器控制和调节。
第二种,通常也是首选的,解决燃料输送问题的方法是涡轮泵。涡轮泵在功能上与常规泵相同,通过吸入推进剂并将其加速进入燃烧室,从而绕过气体加压系统。
氧化剂和燃料在燃烧室内混合并点燃,产生推力。
不幸的是,最后一点使液体推进剂火箭变得错综复杂。一个真正的现代液体双组元发动机有数千个管道连接,输送各种冷却、燃料或润滑液。此外,涡轮泵或调节器等不同的子部件由管道、电线、控制阀、温度计和支柱组成。考虑到许多部分,一个积分函数失败的可能性很大。
如前所述,液氧是最常用的氧化剂,但也有其缺点。为了达到这种元素的液态,必须达到-183摄氏度的温度——在这种条件下,氧气很容易蒸发,在装载时损失大量氧化剂。硝酸,另一种强大的氧化剂,含有76%的氧气,在STP处于液态,并且具有很高的比重——所有这些都有很大的优势。后一点是一个类似于密度的测量值,随着密度的升高,推进剂的性能也会随之升高。但是,硝酸在处理过程中是有害的(与水的混合物会产生强酸),并在与燃料燃烧时产生有害的副产品,因此其使用受到限制。
由古代中国人在公元前二世纪发明的烟花是最古老的火箭形式,也是最简单的。烟花最初有宗教用途,但后来在中世纪以“燃烧的箭”的形式被改编为军事用途
在十世纪和十三世纪,蒙古人和阿拉伯人将这些早期火箭的主要组成部分:火药带到了西方。虽然从东方引进火药开始,大炮和大炮成为主要发展,但火箭也随之产生。这些火箭基本上是放大的烟火,其推动的炸药包比长弓或大炮更远。
在十八世纪末的帝国主义战争中,康格里夫上校研制了著名的火箭,其射程为四英里。“火箭的红光”(美国国歌)记录了在麦克亨利堡鼓舞人心的战斗中,火箭战在其早期军事战略形式中的使用情况。
导火索(涂有火药的棉线)由火柴或“朋克”(一根木棍,顶端有煤一样的红色发光体)点燃。这根导火索迅速燃烧到火箭的核心,点燃了内部核心的火药墙。如前所述,火药中的一种化学物质是硝酸钾,它是最重要的成分。这种化学物质KNO3的分子结构包含三个氧原子(O3)、一个氮原子(N)和一个钾原子(K)。锁定在这个分子中的三个氧原子提供了“空气”,引信和火箭用来燃烧其他两种成分,碳和硫。因此,硝酸钾通过容易释放氧气来氧化化学反应。不过,这种反应不是自发的,必须由火柴或“朋克”等高温引发
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