液液体火箭和固体火箭发动机循环方式的演进
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海陆空天惯性世界I"n冂s【I"E日TIn△T〓c""o△口VlⅡ王口口■Φ刖噱|①常龊晶銮脯黠滤黠霭早乞幕蛋鲞獒暑金隽磋金巨响`方圆数干米之内的夶地都随之震颤`然后冲腾起巨大的烟雾`总之是一系列极端的感宫剌激。平地蹿起的火箭驾着那团火焰直插云霄`当它逐渐划过天际最终消失茬视野中时J仿佛神话中太阳神阿波罗出行时乘坐的战车自百万年前人类开始学会如何用火`除却用核反应点燃的火`火箭发动机大概就是玩吙的极致了。股而言j火箭发动机分为液体和固体两大类型`固液体火箭和固体火箭相对简单`可以看做一个大号的炮仗`液液体火箭和固体火箭則是非常复杂的机器`它开启了人类的航天时代如何理解液液体火箭和固体火箭的工作原理和发展过程,这需要从其循环方式入手。实际上,僅用发动机已经不能很好地概括液液体火箭和固体火箭的推进剂装置,液液体火箭和固体火箭推进剂系统已经成为更为恰当的概括液液体吙箭和固体火箭推迸系统实际包含了火箭发动机和推进剂增压输送系统两大部分。循环方式是液液体火箭和固体火箭发动机产生推力的基夲工作方式,确定与性能和用途相适应的循环方式不仅是发动机研制的首要任务,循环方式还决定液液体火箭和固体火箭一系列关键子系统的設计方案,包括推进剂增压输送系统,以及火箭发动机的绝大多数部件同时,液液体火箭和固体火箭在过去整整一个世纪中的发展,其实也是循環方式不断推陈出新的过程。虽然想必很多人都听到过挤压循环、燃气发生器循环、分级燃烧循环、膨胀循环这些概念,但却未必真正了解術语背后的技术内涵,也未必知道它们的技术源流这使得对于液液体火箭和固体火箭发动机的讨论流于表面,而不能深入实质,许多似是而非嘚看法都是来自于这种浅尝辄止。本文将从技术史的角度,介绍液液体火箭和固体火箭发动机循环方式的漫长演进之路虽然涉及了许多技術问题,但为了避免过于枯燥,笔者尽可能采用了通俗的语言,许多内容并未超越生活常识或者中学课程。从“水烯’到挤压循环挤压循环可以說是最简单的液液体火箭和固体火箭发动机工作方式,要讲清楚挤压循环的工作原理,可以从小学或初中物理教案中个学生可动手自制的教具(吔可以看做玩具)开始,它有一个很是矛盾的名字“水火箭”水火箭的引入是为了展示反作用力的效果,火箭的飞行当然也是用牛顿第三运动萣律所确认的反作用力,但水火箭产生反作用力不是靠高温高速喷流,而是靠普普通通的水。制作水火箭通常使用塑料饮料瓶,头部加装橡胶密葑塞后倒置,瓶内盛放一定量的水(l左右最佳),因为太少太多都会便水火箭飞不远发射前用手动气泵向其中打入空气,当瓶内压力达到一定程度後解脱固定,压缩空气就会将水顶出形成反作用力,让水火箭飞一会儿。虽然打入的压缩空气和水位于同容器内常温下水所含的能量自然是鈈大的,如果将其加热成为高温高压的水蒸气,经过喷管的适当膨胀可以产生大得多的反作用力,OlO年上海轨道交通号线附近炸飞的一个蒸汽锅炉僦是很直观的例子。但加热水本身就需要外来的能量,将液态水加热成水蒸气比较费时,而且水自身还有很大的重量,即使能够带着燃料将水烧荿高压蒸汽,这个蒸汽火箭也飞不了多高这里面牵涉到研究火箭发动机时经常采用的一个概念比冲。简单地说,比冲就是消耗一单位推进剂產生的冲量,在力学中冲量是个过程量,它是力的作用对时间的积累效果,即力对时间的积分从这个定义出发,我们对于给力会有一个物理学上嘚解释,不仅仅是给力不够不行,给力的时间太短暂也不行,“推迸剂”吃得太多就更不行了。最接近蒸汽火箭的是双氧水催化分解双氧水是夶家非常熟悉的一种物质,生活中经常使用双氧水进行伤口处理,防止出现感染。纯的双氧水学名叫做过氧化氢,其化学性质不稳定,具有强氧化性c双氧水会自然分解,产生水和氧气,但正常环境下分解速度还比较慢,如果要加速其反应需要使用催化剂大家如果还能回忆起初中生物课的話,定还会记得往双氧水试管里面投小块鲜猪肝的实验,试管中迅速冒出了大量小气泡,■对于热机来说水蒸气是最经典的工质,它可以追溯到瓦特在世纪末改良蒸汽机之前。但由于蒸汽密度较大,所以般只用于推动蒸汽轮机这样的设备这就是双氧水分解形成的氧气c鲜猪肝里面含酶,而酶是一种有高度选择性催化作用的蛋自质,因此能够加速双氧水的分解但是现实中催化双氧水分解显然不能用鲜猪肝(现在猪肉的价格每千克超过块钱,猪肉贵猪肝的价格就更贵),需要使用适宜的工业催化剂,例如锈铁钉或者二氧化锰。双氧水分解是放热反应,如果反应速度足够快,在汾解过程中不仅能够释放氧气,放出的热还能将生成的水汽化成蒸汽用一句话来概括,水和热都在双氧水分子里面了。这是一个非常有用的反应原理,在后面我们还将讨论到不过,单纯的双氧水分解显然还不够给力,仍然要选择反应能量更大的推迸剂,一般我们用单位体积比冲来衡量,也就是密度和比冲的乘积。现实中有比双氧水催化分解能量更大的单组元推进剂,常见的有肼、硝酸酯等,也可以采用均相混合物单组元嶊进剂推力很难提高,并不适合作为普通航天器主动力,但由于结构简单、重量超轻、工作可靠,用做微小型航天器的轨控和普通航天器的姿控還是很适合的,而且如果采用超大面积比的喷管(例如lOO),也可以达到高比冲。正是因为如此,过去几年又掀起了股研制单组元推迸剂发动机的浪潮,偅点则是寻找适宜的高能量、大密度、无毒性、低冰点单组元推进剂配方但双组元推进剂氧化还原反应释放的能量要大得多,分别贮存的燃料和氧化剂混合后剧烈燃烧”所形成的推力是单组元推进剂所无法比拟的,虽然双组元液液体火箭和固体火箭发动机在结构上比较复杂,但經过多年的发展在技术上已经相当成熟。当然,还可以使用三组元推进剂(例如煤油甲烷和液氧构成的方案),甚至是液液体火箭和固体火箭TE固液體火箭和固体火箭结合的固液混合发动机,它们在过去O年中有很多的研究,但最常见的还是双组元推迸剂至于核火箭和离子火箭,这已经超出叻传统化学火箭的范畴,其中的热力学核火箭也有循环方式这一概念,但这里不作讨髀海陆空天惯性世界l"曰nsINEFrIFLrEEHNsLoEYlNFllr|口博物馆内陈列的“阿波罗”飞船,紸意服务舱推进舱外部安装的姿态控制发动机,起。对于航天器来说,除了主发动机以外,还需要些小发动机,满足轨控、姿控、发动机往往采用雙氧水、肼基推进剂其实,日常生活中氦能简单的气割和气焊使用的就是双组元方案,助燃采用的是∷瓶装工业氧气,燃料一般采用的是非常容噫i制取的乙炔(电石遇水便可发气),有时也使用火焰温度更高的氢气,还可以使用天然气、液化石油气等它们一般储存在钢瓶中,里面具有一定嘚压力,所以要小心轻放,要是不当心碰倒了,严重起来可不是砸到花花草草那么简单。液体推进剂可以用其自身的重力和贮箱的压力来自然供給,早期的液液体火箭和固体火箭发动机采用的都是这种推迸剂利用方式接下来如何进步提高推迸剂的流量呢」二我们回到前面的水火箭仩,既然可以采用打气的方式来给推进剂增压,当然也可以用高压气瓶来为推进剂增压,这样就有了挤压循环的基本原理。挤压循环还带来了结構上的好处,直接加压贮存推进剂的加压幅度是有限的,它受到贮箱结构的限制,而采用专门的增压用高压气瓶就可以大大放宽贮箱设计己挤压循环是什么时候开始的我们也可以追溯至J二战中的德国,但并不是大家已经烂熟的V火箭冯·亻T劳恩开始液液体火箭和固体火箭研制是在O世紀O年代,年只有岁的冯·布劳恩带领他的团队参加了德国陆军的责的,火箭试验场设在桕林附近的库默斯多夫(Kummersdorf)。冯·布劳恩拿出的第款火箭代号Al,该火箭只有米长,直径厘米,起飞重量仅O干克它采用一具OO千克推力的液液体火箭和固体火箭发动机,工作时间仅有秒,该发动机由阿瑟·鲁道夫(ArthurRudolph)设计。Al自j友动和L氧化剂采用液氧,燃料采用浓度的酒精,虽然冯·布劳恩的确曾经考虑过采用其他燃料,例如煤油等,但考虑到酒精的获得相对嫆易些,因此这成了A系列火箭的标准推进剂配方虽然Al火箭成功完成了试车和首飞,但因其基本设计并不可靠很陕就被放弃,研制工作随后转移箌A火箭上来。A和Al从外形上看没有多大差别,两者发动机燃烧室也完全相同,但A将起飞重量减少到了lO干克在总体布局上,A还有一项非常重大的改進,这就是首次引入了挤压循环。为提高飞行稳定性控制飞行的陀螺仪从弹体头部移到了中部(Al随着推进剂的消耗头重脚轻的问题会愈发严重),控制卧l头部位置安装了个加压氮气瓶(即蓄压器),向推进剂贮箱注入后形成气枕,挤压液氧和酒精形成增压为了给发动机冷却,Al和A都将发动机整體埋入弹体下方的燃料箱内,用酒精的蒸发来带走发动机工作时产生的高温,这一设计后来被AJ和A巧所继承。如果将Al单独剔除在外,那么在冯·布劳恩设计的整个A系列火箭中,那么A、A、A巧、A乇、A实际上可归为一类,它们采用的都是较为简单的抽气循环和发动机直接冷却,而A、Ab、A、A均、AlO则可歸为另一类,它们采用的都是较为复杂的泵压循环和发动机再生冷却在A的基础上,冯·布劳恩用了两年时闾设计了更大的A火箭,发动机推力提高到口电,这样A凭借OO干克的起飞重量就能携带更多的推进剂,发动机工作时间也延长到秒,使火箭的射程能够达到千米,尽管这一距离还是不及当時的大口径野战火炮。A在总体布局上引入了一个新的仓j新,将加压氮气瓶埋入液氧贮箱当中,液氧贮箱和氮气瓶呈同心布置由于液氮的沸点低于液氧(液氮℃,液氧℃),因此被液氧包围的氮气瓶可以保持在很低的温度下,但其中的氮仍然保持在气态。采用这种设计可以用较小的氮气瓶嫆四个喷管呈十宇布局组合在推进剂沉底的需要,这些小的A系列火箭,其中最著名的当然要数艹了,它后来被希特勒命名为“复仇武器”号,也就昰■冯·布劳恩肝试验火箭的D透视模型虽然编号排在⒈〃肛火箭之前,但A并非是后者的直系祖先,两者的差别绝不仅仅是尺寸上的,A和A△在结构仩也有很大的差别,肛的技术进步可以说是飞跃性的,从这也能充分体现肝在火箭和航天发展史上的里程碑意义要说有技术传承关系的那还昰艹,它也是按照实战型号来发展的,目的是替代不成功的A火箭。总体来看,A⒓、肝、肛在结构上具有很大的相似性,特别是在发动机部分积来容納较多的氮气,供工作时间更长的发动机使用同时也较为节省弹体内的空间,能够减小火箭的总长(当时大长径比气动布局尚不成熟,在结构上也存在许多技术困难)这种氮气瓶布置方案被后世的大型运载火箭和弹道导弹所继承。挤压循环省掉了其他循环方式中的一个关键部件,这就昰涡轮泵,尽管这导致其性能较低,但也并非一无是处苜先是提高了可靠性,不仅将机械部件减少到最少,而且推迸剂在送入推力室之前不相遇,基本不会出现残液结冰问题(出于某些技术原因,还是有残液结冰的可能,这一点后面将展开介绍)。其次是降低了发动机重量,但这一效果是相对嘚,为了支持发动机长时间工作,挤压推进剂所需的高压气体就需要增加,而贮存这些气体的压力容器本身就要付出重量代价总体说来,航天器主动力采用挤压循环已经越来越少了,印度为GSLV同步轨道运载火箭研制的低温上面级是新型号中采用这一循环方式的少数发动机之一,它其实是茚度因美国阻挠暂时得不到俄罗斯分级燃烧循环上面级而被迫的选择。有一种非常粗糙的说法,认为液液体火箭和固体火箭发动机是自带氧囮剂,这就可以不必依赖于空气这虽然大体是正确的,但推进剂必须要有足够的流量,在单位时间内将更多的氧化剂和燃料压入燃烧室,而如何提高推进剂供应的流量是一个非常复杂的问题。对待这种复杂问题可以“用简单对复杂”,在挤压循环下用气瓶对推进剂贮箱进行增压就行叻虽然早期液液体火箭和固体火箭的确就是这么干的,但却存在许多难以克月艮的缺:陷。随着增压气体注入推进剂贮箱,增压效果会随时间嶊移而越来越差如果要延长火箭发动机工作肘间,就必须携带更多推迸剂,这样增压气体也要加量,结果就必须携带一个巨大的增压气瓶,而作為一个压力容器其重量可想而知。更糟糕的是,挤压循环工作时会对推迸剂箱施压,为了对抗压力贮箱结构重量也会随之上升我们需要找其怹方法为发动机增压。RoBe跏TAm:婴嚣承,这就是埋入液氧贮箱内的冷氦气瓶,它用于为推进剂贮箱增压其实为发动机增压的主意人类很早就想到了囚类非常早就学会了冶炼金属,最早是青铜一类的铜合金,因为这类合金的熔点比较低。特别是青铜,与红铜(纯铜)相比强度高且熔点低,而且铸造性非常良好,由此便开启了一个伟大的青铜文明,现今尚存世的那些青铜器物就是那个时代的见证但冶炼铁以及将铁进一步冶炼成钢需要高嘚多的炉温,为此人们又发明了鼓风冶铁术,就是用风箱加大供氧量,使炉膛温度大幅提高。蒸汽机时代的所谓强压通风,和古老的风箱并没有根夲性的区别,所不同的只是一个用机器,另一个用人力,本质上都是外来动力实际上,世纪初的宇航先驱们很早就想到了用外来动力来驱动泵机,這是实现泵压最为简单的一个手段,也体现了某种“以简单对复杂”的技术思路。关于谁首先提出了现代液液体火箭和固体火箭和宇宙航行嘚基本设想,在航天史上素来有争论,一般被大家接受的观点是,俄国教师康斯坦丁·埃杜瓦多维奇·齐奥尔科夫斯基(KOnstantinEduardovichTsiolkoⅥ`sky)齐奥尔科夫斯基的贡獻是多方面的,他不仅给出了液液体火箭和固体火箭的推进公式,也就是著名的齐奥尔科夫斯基公式,还分析了多种液液体火箭和固体火箭推进劑方案的可行性,包括后来最为普遍的双组元推进剂(由氧化剂和燃烧剂所组成),并计算了多种双组元推迸剂的最优混合比。他非常敏锐地觉察箌,要充分发挥液液体火箭和固体火箭的推迸效率,必须提高液体推进剂的供给压力,他甚至极具技术前瞻性地提出了利用泵机对推迸剂加压的方案,不过他对于泵压系统的设计还停留在非常初级的概念阶段,这不仅超越了他的个人能力,也超越了时代据考证,他那张广为人知的液液体吙箭和固体火箭航天器概念图绘制于年(茌同一年,美国的莱特兄弟完成了人类首次动力飞行),仔细分析这张概念图,我们可以比较清楚地了解他嘚思想到底走到了哪步。这是一个蛋形的飞船,前部是乘员舱,后部是推进剂贮箱,分为液氧贮箱和碳氢燃料箱,细长的液液体火箭和固体火箭发動机位于飞船中轴线上,超大的膨胀比可以获得很高的理论比冲最常见的碳氢燃料就是各种烃类物质,比如源自石油的各种馏分油(汽油、柴油、煤油、燃料油等),于是齐奥尔科夫斯基也|就成为最早推荐液氧碳氢燃料推进剂的科学i家之一。考虑到火箭发动机工作时释放出的|高温,他設想用耐热材料制造发动机,同时海陆空天惯性世界l"曰nscHNoLoEYlrrlllfl!Fr*iyewporatingliquidoxyg?natverybwtemPeetur?分流一部分低温液氧来冷却发动机,因此俄国人坚持认为齐奥尔科夫斯基最先提出叻液液体火箭和固体火箭发动机的再生冷却思路他甚至设想液氧不仅作为双组元推进剂的氧化剂,汽化后还将供乘员呼吸,这意味着乘员舱將成为一个高压氧舱,他显然还没有仔细考虑氧分压的问题。在概念图上,有个被很多人所忽略的小细节,那就是用于为推进剂增压的小活塞泵,呮是并没有给出它工作的动力来源如果说齐奥尔科夫斯基更加接近于一名理论家的话,那么另一位宇航先驱美国的罗伯特·胡钦斯·戈达德(RobertHut山ingsGorddaId)就更接近于一名发明家。这也I非常符合俄罗斯民族和美利坚民族的不同个性,毕竟美国诞生过爱迪生这样的伟大发明家,不过身为教授的戈这德有着不次于齐奥尔科夫斯基的理论功底,毕竟大学教授和乡村教师还是有天壤之别的在搞出自己第一枚实验火箭之前很多年,他在年嘚一场大病后突发奇想完成了一项发明,后来申报为美国专利llO号,那年他岁。这项发明专利核心就是液液体火箭和固体火箭的增压系统,他和|当時还不为人知的齐奥尔科夫斯基样,也|想到用活塞机来为推迸剂增压O世纪初的时候,汽油机已经大规模应用于汽车,而福∷特汽车公司已经在鼡流水线生产划时代的T型{车了,戈达德毫不迟疑地选择微型汽油机来为推迸剂增压,这就解决了齐奥尔科夫斯基悬而耒决的增压动力来源问题。汽油机需要进气和排气,戈迭德当然不会让其从空气中获得助燃用的氧气,这样将使火箭失去在真空中飞行的能力,因此他选择笑气作为汽油機的氧化剂,在排气方面则专门在弹体侧面开设了排气口戈达德在泵的结构上花费了很多精力,尝试了多种形式的泵栌」。为了能压缩活塞泵的体积,他设计出了内置于管道内的活塞泵(年)、叶轮泵(年)、齿轮泵(年),甚至是用加压气瓶驱动的往复式风箱泵(年)(还记得上一节谈到的风箱吗現在知道本座不是凑字数了吧!),但结果都不理想,不是结构复杂重量太大,就是性能低下工作不可靠最终他将研究方向转到离心涡轮泵(年)上,甚臸还提出了用液氧对泵进行冷却的思路,并将其同样注册为专利,这比齐奥尔科夫斯基又进了一步,俄国人只想到冷却发动机,但没有想到或者至尐没有专门提到冷却泵。不过专利归专利很多技术问题并没有得到有效解决,在试车中也出现了多次事故按照美国观点,戈达德还是燃气发苼器循环的鼻祖。为了给涡轮泵提供动力,戈达德研制了小型燃烧室(年)这种燃烧室采用和主燃烧室相同的燃料和氧化剂,而且也采用富氧燃燒的工作方式,由于此前在液氧冷却上出现过非常棘手的问题,采取了向燃烧室内喷水的方法来降低其工作温度。但戈达德仍然非常理想化地想直接用发动机喷出的高温排气来驱动涡轮泵,他设想在发动机喷管底端设置两个涡轮,用燃气冲击来驱动泵机来分别为氧化剂和燃料增■康斯坦丁·埃杜瓦多维奇·齐奥尔科夫斯基和他Cs年前后提出的液液体火箭和固体火箭概念模型压这种设计虽然又是“用简单对复杂”的典型,但却存在许多显而易见的技术问题:涡轮采取直接暴露在喷流中的开放式结构,很难打住燃气的高温长时间工作而且随着喷流经:过时膨胀程喥的变化,涡轮的工祝也不可能很稳定。结果只好退回来搞燃气发生器在年和年,戈达德对采用这设计的液体进行了至少九次地面试车和两佽飞行试验。在苏联那边,火箭发动机巨匠瓦伦京·佩特罗维奇·格鲁什科(ValentinPetrO"山Gll曲ko)稍后也经历了和戈达德类似的曲折道路O世纪三四十年代,苏联液液体火箭和固体火箭的碉制重心是用做飞机动力,格鲁什科设计局成立后的第一款作品是RDl,它开创了RD这个辉煌的液液体火箭和固体火箭家族。RDl的思路是为活塞战斗机提供加力,这对于航空发动机技术当时偏弱的苏联十分重要,因为二战的硝烟正在向苏维埃社会主义国家逼近RDl有多個型号,其中RDlKhZ采用了与活塞发动机并联的方案,通过齿轮箱从活塞发动机获取部分动力,驱动泵机为推进剂增压。但是由于格鲁什科偏好采用燃燒稳定的硝酸氧化剂,这使氧化剂泵的耐腐蚀问题非常棘手一直到年,格鲁什科才比较好地解决了这一难题,后来的RD所口RDJ采用了这些设计,并将嶊力提高到了O干克。但当时苏联空军已经拥有了数量上的优势,而且技术劣势也被大大缩小,更重要的是当时喷气发动机已经出现了筒单地說,戈达德是小活塞机拖大火箭(火箭也真的不大),格鲁什科是大活塞机拖小火箭。其实,苏联二战前也在研究燃气发生器循环,RNII在年间曾研制出过非常相似的燃气发生器循环设计在灿xygenvap。rp,pt°engne~灬帑Ⅱ。钅:拣喙黯`Ignhiappildus理匝J旦Pi$onssgireex}laudGasollnea·lvenpistonon酗eC【lIlmedtopropcIh·ltpdonpllmps曲rougbfodsandlotat吨disk■罗伯特·戈达德博士和他在⒕年申请的泵压液液体火箭和固体火箭发动机专利Qt首l甚l童E拣′``品P^PFuelpipebThffidmbe!OxygeDPiPetoTCyv德尔○R″的基础上,RNII捣鼓出了一个双推力室方案,同样也使用氧化剂、燃料和水,但和○RM以后的发动机┅样,用硝酸替代了液氧,燃料采用煤油主推力室用水迸行冷却,后来又换成酒精水溶液来降低冰点,这和○R并没有什么本质差别,但是不再建立沝冷循环,而是直接送至辅助推力室c还记得最早我们讲过的蒸汽火箭吗,这辅助推力室其实就是个蒸汽火箭。这个辅助推力室其实产生的推力非常有限,后来苏联人想到这个辅助推力室完全可以当做一个蒸汽发生器来使,去推动涡轮泵给推进剂增压据说在二战结束前,RNII的蒸汽发生器泵压方案概念机迸行过地面试车,但经过著名航天史学家萨顿的考证,还是没有获得有力的照片证据。就在戈达德进退维谷,而格鲁什科徘徊不湔之时,二战的战火已经在欧洲点燃,冯·布劳恩和他的团队正不断推迸大型液液体火箭和固体火箭的研制。戈达德虽然在技术上有很好的点子,總体发展方向也是完全正确的,不但已经制造出许多关键部件,而Ξ体现了很高的设计和工艺水平(那绝对不是大家想象的那种实验室里的山寨莋坊货),但由于当时获得的经费实在非常有限,也无力像德国那样依托分工明确的庞大团队,使后者在短短几年间就连续突破了大型火箭的关键技术从当时已经具备的技术条件来看,驱动涡轮最好的方法还是采用燃气发生★内燃机和燃气轮机的增压对于内ˉ燃机来说,提高进气压力哃样有效,不仅能够大幅提高功率,还能改善燃料经济性。增压内燃机形成了机械增压和废气涡轮增压两大基本流派,前者是利用引擎转速来带動机械增压器,而后者是利用引擎排出的废气来带动涡轮在内燃机的进气管上一般还要增加另一个部件,这就是中冷器(又称为进气冷却器),根據冷却工作介质的不同,有厕l冷和水冷(液冷)两种形式。这是因为空气在被压缩的过程中密度会升高,这必然也会导致空气让我们回到O世纪上半葉,正当配温度的升高,从而影响发动机的充气效率而|且还很容易导致发动机燃烧温度过高,造成爆炸等故障,并增加发动机废气中的氮氧化物含量,造成空气污染对于涡轮增压来说中冷更为重要,因为废气所带的高温会通过涡轮增压器的热传导便进气升温。其实内燃机也可以采用外來动力对主机迸行增压,理论上可以用一台小型内燃机对另台大得多的内燃机迸行增压,这样就可以避免涡轮增压发动机中,涡轮增压器和发动機工况不匹配,前者工作在低效率区的问题但是由于内燃机体积不够紧凑,因此在世纪⒛年代末出现的超高增压(Hyperbar)柴油机上引入了所谓的补燃室。在超高增压柴油机上涡轮增压器和发动机是并联的,而传统涡轮增压柴油机则是串联的在发动机迸气管前设有旁路,引导部分空气进入補燃室助燃,然后与发动机排气会合,推动涡轮对发动机迸气增压。最典型的超高增压柴油机就是法国“勒克莱尔”主战坦克的UDVX发动机,一些资料称其用燃机来实现增压,这其实是个误解误解的来源是涡轮增压器的进气旁路补燃室有燃气轮机循环工作方式,可以先于发动机启动前工莋,“勒克莱尔”主战坦壳优异的加速l眭就来自于此。各机械增压和涡轮增压的活塞战斗机在二战的天空中厮杀之时,喷气发动机却异军突起结构上比较特殊的脉冲喷气发动机和冲压喷气发动机有亲缘关系,它们都没有压气机,也不依靠燃气冲击涡轮来做功,区别只是冲压发动机燃燒室采取连续工作模式,而脉冲发动机正好相反,是间断工作的。所以脉冲喷气动力的Vl巡航导弹飞行时有嗡嗡声,“嗡嗡飞弹”因此得名,这其实昰燃烧室脉冲点火形成的排气噪音常规的涡轮喷气发动机由涡轮带动压气机对进气进行压缩,稍微变得复杂一些后出现了双转子结构,高压渦轮带动高压压气机,而低压涡轮则带动低压压气机。最后,用低压涡轮还可以再驱动装在压气机之前的风扇,这就构成了涡轮风扇发动机当嘫,干脆取消那一级转子,并将“风扇”移到尾部上也是完全可以的,这就构成了近二十年非常时髦的桨扇发动机。从原理上来看,各种燃气轮机(包括喷气发动机),实际是将内燃机带有冲程的做功方式,改成了类似蒸汽轮机的连续做功方式在这个意义上,可以将喷气发动机看做内燃机和蒸汽轮机的一个自然延伸。实际上,主要在地面工作的燃机有许多部件是从内燃机和蒸汽轮机借鉴而来的,例如为了在低压压气机压缩空气后降低其温度,会在高压和低压压气机之间增加中冷器,但其目的主要是降低高压压气机的压缩耗功在高压压气机后方还经常再增加一个回热器,收集涡轮后废气中的预热来对气体进行加热,从而由简单循环升级为回热循环。这样做的原因是,燃气轮机燃烧室对于工作温度有较大的宽嫆度,而且迸气吸收的余热就可代替部分燃料,同时又降低了排气温度,后者不仅意味着做更多的功,也意味着更小的尾气红外特征一个有趣的問题是,戈迭德是从内燃机的废气涡轮增压技术得到的启发,还是从喷气发动机的燃气涡轮技术得到的启发这个恐怕还需要更多的第一手资料來进行证明,不过从时间上分析可以得出大致不错的判断。戈达德的燃气涡轮研制工作是在⒄l∞年问迸行的,英国的弗兰克·惠特尔虽然研制出第一台喷气发动机是在∞年底,但地面试车已经是y年月了,戈达德应该没有参考惠特尔的设计,而事实上也无从参考那么戈达德的灵感是从哪里来的呢依笔者的观点,最有可能的还是当时美国已经很常见的内燃机涡轮增压技术。□丬海陆空天惯性世界I"曰"s|NEHrIELEcHtroLoEYlNlll|■其实飞机的助飞火箭采鼡上述循环方式还是非常合适的,因为火箭发动机并不需要独立工作,它只是活塞发动机或者喷气发动机的个附属品后来成为美国火箭巨头嘚阿罗捷特公司起家就是在助飞火箭上,其在二战期间所研制的多款产品和RD〃的思路是样的。后来该公司又开始为啧气式飞机研制助飞火箭,其中功率最大的是⒌的助飞火箭它采用的也是泵压循环方式,但涡轮泵的动力来源是啧气发动机压缩机引出的热空气。这里还需要哕嗦句,波音在⒊匆之后的B巧早期型上更加变本加厉,随着发动机功率的提升助飞火箭是没有了,但压缩机引气被转换成液压或电力器,但要使其既具有足够的功率,又有足够低的工作温度,的确需要好好动一番脑筋德国人找到了一种特殊的燃料,它就是我们前面提到过的双氧水。弓腼卸呻莳泛莎FⅢ"←最早采用双氧水驱动泵压发动机的是划时代的德国V火箭,由人类航天史上的巨人维尔纳·冯·布劳恩(WσnhσsonBraun)博士领导研制,其研发代号則是A刊V作为纳粹德国在二战末期首屈一指的绝技,同时也作为美苏研制弹道导弹和运载火箭的技术基础,一直以来介绍V的文章就非常多。以馮·布劳恩为首的许多德国工程师都曾在美国和苏联长期工作,对两国早期的导弹和航天事业影响甚深,因此许多军事和航天爱好者都倾向于抬高德国工程师的地位和作用,但对r本身的技术脉络却处于一知半解的肤浅状况,解释不清楚V泛在火箭技术发展史上的特殊里程碑地位实际仩,虽然在V之前美国和苏联都曾研制出过小推力液液体火箭和固体火箭发动机,但r才真正走上了现代液液体火箭和固体火箭发动机的道路,其理甴就是V泛解决了循环方式问题D尽管从Al到AJ在设计上取得了很大的创新,但如果仅此而已绝对无法满足冯·布劳恩本人的野心和军队的需要,当然哽无法彻底打动元首的心。获得越来越多资源的冯·布劳恩花了多年时间才给出了有前途的解决方案,有了A火箭在技术和性能上的飞跃更夶的射程要求有更长的发动机工作时间,迸而要求更多的推进剂携带量,而起飞重量的提升又需要更大的发动机推力。一个大得多的发动机能夠满足推力上的要求,不过填饱胃口增大的发动机必须要提高推进剂供给量,这就要在发动机循环方式上动脑筋A刊在技术上引入了比之前加起来都多的创新,其创新性首先体现在发动机的循环方式上。一个自然的想法就是直接用泵来输送推进剂,但用什么动力来驱动这台泵机呢耐茬冯·布劳恩O年代为德国陆军研制液液体火箭和固体火箭的同时,另一位德国工程师赫尔慕斯·瓦尔特(HellmulhWalσ)则在满足海军的需求通过一战的無限制潜艇战,德国意识到柴电潜艇潜航时间不足是致命缺陷,解决问题的办法有两个,个是安装通气管,使柴油机能在潜航深度不大时工作,德■羅伯特·戈达德(最左侧)和他的同事们在新墨西哥州的实验室工作。与很多人的臆想不同,戈达德并非单枪匹马式的个人发明家,他也拥有个小規模的团队,虽然和冯·布劳恩在库门斯多夫和佩内明德高度组织化的团队不能相提并论,但好歹也是团队协作另外,戈达德同样也搞出了自巳的泵压掖液体火箭和固体火箭发动机方案,而且进行过试飞,图上就是其中个原型火箭,可以看出已经具有非常高的成熟庋,虽然火箭的尺寸还仳较小,与V相比小巫见大巫了国型潜艇(TypeXXI)采用的就是这一办法,这成为了现代通气管柴电潜艇的蓝本另一个是在潜艇上储存氧化剂,但需要解决废氣排放问题,这成为了后来大多数AIP常规潜艇的基本思路。在世纪二三十年代,早期的火箭研究已经提供了氧化剂的备选方案,当时采用硝酸煤油嶊进剂的实验液液体火箭和固体火箭很多,但硝酸作为一种强酸具有腐蚀性液氧的助燃效果非常理想(但好得太过分了),苏联二战中研制的早期AlP潜艇走的就是这一技术路线,但是低温贮存液氧危险性更大,比双氧水还要容易爆炸。瓦尔特选择了双氧水,它虽然稳定性比硝酸要差得多,但卻比液氧要好许多,可以常温贮存又没有强腐蚀性更重要的是,双氧水催化分解时可以产生富含氧气的水蒸气,温度能够达到∞℃,这一温度足鉯使烃类或醇类燃料自燃。无论是双氧水直接催化分解,还是进一步与燃料混合燃烧,都非常适合驱动涡轮机,这种涡轮机有时被称为瓦尔特透岼(Wa№rTurbine)随着双氧水浓度的提升,操作危险性会趋于上升,但工作效率也会有明显提高。年,瓦尔特在日耳曼尼亚船厂开始实验时,使用的双氧水浓喥还只有,但在此后几年中双氧水的安全使用浓度被提高到O~瓦尔特先后研制出了O、O禾口OO马力的机型,最后型潜艇(TypeXVIH)上安装了两台OO马力机组。在潛艇上,瓦尔特透平要驱动螺旋桨或发电机,但理论上也可以用反作用力做功,这样就能用于航空器了,因此德国陆军和空军也对其产生了兴趣這里不打算展开讨论德国空军的双氧水火箭发动机,只讨论德国陆军的火箭。年,就在冯·布劳恩为陆军开始研制液液体火箭和固体火箭后不久,瓦尔特的双氧水火箭也开始在库门斯多夫迸行试验双氧水火箭上采用了赫兰德火箭(Heylandt)的推力室。赫兰德公司在战前有许多后来成为火箭先驱的优秀工程师,其中就包括沃尔特·里德尔(WalterR始dd)和马克斯·瓦里尔(MaxVa№r)两人在年曾合作制造过辆火箭汽车,这部汽车上装有一台O干克推力的發动机。里德尔后来成为了冯·布劳恩在火箭发动机方面最值得倚靠的工程师,去美国之后又对美国的火箭研制起到了异常关键的作用,并成為北美航空和洛克达因两家公司的台柱瓦里尔则在德国开创了再生冷却推力室,但非常不幸的是,他死在了火箭汽车实验的爆■型(TypeXVIH)瓦尔特潜艇,排水量达到吨,采用双轴推进,搭载两台马力的瓦尔特涡轮机和马力的柴油机在蓄电池工作状态下,潜航距离只有奶海里节而在瓦尔特涡轮机笁作状态下,潜肮距离能够达到⒛海里”节,相当于高速潜航个多小时,这甚至超过了现今AlP潜艇的性能。尽管型潜艇具有惊人的性能,但瓦尔特涡輪机的工作并不可靠,因此在狃年其建造工作被停止,让位给更简单可靠的⒉型(TypeXXl〉通焉榷鞲屏蹴憝帮碹j∶i音lξ:叠苎翼:莒吼鼎黻黥滟缉蜢扩i::::i:子獒{:苫蘑(卜到卜sO),但战争结束时仅有艘在建(UsO到卜∝)炸事故中早期的火箭事业存在许多危险,毛主席教导我们,“要奋斗就会有牺牲,死人的事是经常發生的。”由于冯·布劳恩从Al火箭就定下了液氧酒精推迸剂的方向,双氧水火箭只是一对一地把液氧替换下了但在年月的一次测试中,卡尔·沃姆克(KarlWalmke)博士尝试将双氧水和酒精迸行预混,引发的爆炸当场杀死了包括沃姆克在内的三人。这一事故导致多恩伯格叫停了双氧水酒精双组え推进剂火箭的研制,但是单组元瓦尔特涡轮机的患路并耒被同扫地出门同期,德国空军的试验证明,将高锰酸盐溶液催化剂喷射到高浓度双氧水中可以触发稳定的分解反应,亨克尔Hel和He的改装试验都获得了成功。在潜艇上,瓦尔特涡轮机的高转速是不必要的,因此需要将其转速降下来,泹在火箭上其高转速却能够很好地为推进剂贮箱加压V的涡轮泵是由过氧化氢催化分解驱动的,由于并没有发生燃烧反应,因此只能叫做气体發生器,而不能叫做燃气发生器。V上有A、B两个贮箱,A贮箱是作为催化剂的高锰酸钠溶液,B贮箱是浓度的双氧水它们在气体发生器内相遇后发生┅连串反应,主反应是双氧水的催化分解,由于这是放热反应,而且反应比较剧烈,因此生成的是氧气和水蒸气副反应是高锰酸钠受热后自身的分解,生成的是锰酸钠、二氧化锰和氧气,副反应增大了氧气的生成量。这里面有三个机制可以用于加速反应,第一,高锰酸钠属于强碱弱酸盐,因此沝溶液呈弱碱性,而双氧水在碱性氛围中分解反应会加快第二,双氧水在高温下更容易分解,而高锰酸钠受热分解是放热反应(放热大于吸热)第三,高锰酸钠受热分解产物中二氧化锰能够催化双氧水分解V气体发生器推动涡轮泵输出功率O马力,转速达到转分。涡轮通过驱动轴推动燃料泵囷氧化剂泵,使酒精和液氧的流量分别提高到干克秒和千克秒,注入发动机推进剂预混室的压力为巴V的推进剂标准加注量是酒精O磅,液氧lO磅,涡輪泵全速工作时实际只够发动机工作O多秒。正是这一分多钟的上升段,就足以便V携带近一吨重的弹头,打出OO■这个傻大黑粗的玩意儿就是rA的涡輪泵,你能想象它吹响了宇航时代的第声号角吗其核心当然是瓦尔特透平,也就是当中那个大直径的飞轮氧化剂泵和燃料泵分别位于驱动轴嘚两端,而气休发生器的动力涡轮则在中间■V火箭发动机D模型。在图中,蓝色的管路是双氧水气体发生器的废气排放管,它上端连着气体发生器囷涡轮泵,从中段开始分为二形成两根歧管,在喷管之外单独排放红色的椭球形容器是双氧水贮箱,它将为气体发生器提供原料。在气体发生器侧面有排压缩氮气瓶,压力达到⒛巴(右图)干米以上的射程从功率上来看,在如此小的体积下做出这么大的功率,双氧水催化分解反应还是相當给力的,要知道现在一台升排量的涡轮增压发动机功率也仅O多马力。不过,根据《导弹及其技术控制制度》(MTCR),用于液体推进剂的、转速等于或夶于O转分的泵才纳入管制范围,V的涡轮泵连其一半都没有达到,仅此一条足可见原始程度,但较低的转速水平大大降低了加工要求,而且不必额外增加减速齿轮戈认德其实已经悄无声息地实现了泵压革命,燃气发生器循环似乎已经近在眼前,但这种循环方式真正应用在大型液液体火箭囷固体火箭发动机上花掉了更多的时间,苏联人也是一样。二战结束后美国和苏联看到V,都认为德国的液液体火箭和固体火箭技术已经领先自巳十年面对这种情况,最好的办法就是顺着V的习、路来克隆,由于美苏两国都得到了一些德国火箭技术人员,自己此前在液液体火箭和固体火箭方面也J有比较扎实的基础,因此这一工程并非是简单的逆向工程,而是一种仿制创新的过程,美国和苏联都对V许多不成熟的设计迸行了改良。朂初两国都是直接沿用双氧水单组元气体发生器,虽然对发生器和涡轮泵进行一定优化,同时将双氧水的浓度尽可能提高,例如“红石”就提高箌了即使是现在,超过O的双氧水也不是轻易可以购得的商品,在美国只有食品机械化学公司(FMC)和德固赛(Degussa)两家巨头提供,一般不提供给私人和t企业,主供美国军方和NASA。真正将双氧水火箭发扬光大的还是英国英国的最大创新是放弃了高锰酸盐溶液喷射催化方式,位于自金汊郡维斯科特(We蛀cOuinBuchngham咖e)的火箭推进研究所(RPE,很不幸地与位于美国帕萨迪纳的喷射推进实验室名称相仿)研制出了镀银镍网催化器。在这种催化剂下,的双氧水分解产粅温度可以达到℃,而的双氧水可以这到O℃接下来英国人的做法和瓦尔特就没有什么区别了,也是与煤油等烃类燃料混合燃烧。不过,这种催囮剂的活性是有时间限制的,只有两个小时,因此催化滤网被设计成可迅速替换的虽然高浓度双氧水允许较长的贮存时间,但仍然要求最多在發射前O小时进行加注。利用上述原理,德哈维兰、阿姆斯特朗西德利和RPE都参与到双氧水火箭发动机的研制中来其中,Rl)E研制出了一系列的实验發动机,按照希耀字母的顺序分别命名为“阿尔法”(Alpha)、“贝塔”(Beta)和“伽玛”(Gamma)。“伽玛”系列发动机的氧化剂采用的是的高浓度双氧水,双氧水囷煤油的混合比采用⒏l左右美国虽然没有发展双氧水煤油发动机,但是许多早期发动机在继承V的基础上,也改用了固体催化剂。美国基本上昰两条腿走路,既有采用银网催化剂的型号,例如X高超音速验证机的发动机也有采用颗粒催化剂的型号,例如著名的“红石”导■这个土得掉渣兒的罐子就是“红石”导弹的气体发生器“红石”可以被看做采用⒛世纪年代末技术大规模改造后的V刁现代化版本。的碳化硅颗粒,顶部昰双氧水的分配板,下部是不锈钢滤网是美国陆军研制的一种中近程弹道导弹,它其气体发生器内填充了在高锰酸盐中浸渍过弹实际上,早期嘚“红石”火箭采用的也是银网催化剂,但为了提高催化效率改迸了气体发生器。在气体发生器内充填了耐高温的碳化硅颗粒,它们在高锰酸鹽中浸渍过,因此具有良好的催化作用采用这种结构的目的毫无疑问是增大接触面积,加快反应速度。应用于Xl珀勺XLR发动机稍后才问世,它倒是囷早期“红石”的设计非常接近XLR均上采用了催化网叠层方案,一共有层的银网和玑层的不锈钢滤网。利用这种结构,XLR催化网每平方英寸面积仩的反应速度是磅分钟,而整个气体发生器的内径为孔英寸X上有两台这样的气体发生器,分别驱动氧化剂泵和燃料泵。苏联人经过对V的仿制哃样放弃了液体溶液催化器,在为R彳研制的RDlOlO上也采用了固体催化剂虽然本质上仍然是一台瓦尔特透平,但RDlOO的涡轮泵在结构上比V泛有了更多的優化,除了驱动氧化剂泵和燃料泵以外,还带有齿轮传动的两台副泵,其中一台副泵专门用于为气体发生器供应双氧水,这样就不必像弘羽阝样在雙氧水箱上采用氮气挤压的输送方式。同时,R孑通过液氮加热来为推进剂贮箱增压,液氮贮存在芯级和助推器底部的环形贮箱内,向换热器输送液氮实际是靠两台副泵中的另台亳无疑问,RDlOlO青出于蓝胜于蓝,实现了Ⅴ所未能实现的高度集成化。可能有人会说,R类似V的循环方式不是很好吗嘚确,R系列到目前为止是人类发射数量最多的运载火箭,也是将宇航员送入太空最多的运载火箭但必须承认的是,虽然它的发动机由于结构简單很适宜大规模生产,但在工作效率上是不高的,而且能够压榨出来的性能潜力也不大。让我们再回到最初的想法,就是直接用发动机本身来为嶊进剂增压其实人们很容易想到,既然毛病出在双氧水催化分解反应上,那么不妨就直接用主燃烧室所用的推进剂,让它在单独的燃烧室内混匼燃烧,但工作温度可以想方设法控制得低一些。这个独立的燃烧室终于可以被称为燃气发生器,因为它产生的是真正的燃气使用时只需少量的压缩气体将推迸剂吹入燃气发生器,旦燃气发生器开始驱动涡轮就可以接管为推进剂增压的工作。前面我们已经介绍过,其实戈达德很早僦在设计燃气发生器循环,并且造出了实验型的燃气涡轮和燃气发生器,美国在燃气发■气体发生器是卜火箭R卜`发动机的关键子系统之一,其工莋原理和V样都是过氧化氢的催化分解,但采用了固体的催化剂,不仅改善了工作可靠性(不需要高压气瓶喷注高锰酸盐溶液催化剂),也提高了催化反应的效率之所以称其为气体发生器而不是燃气发生器,是因为它不产生燃气,因为没有燃烧过程发生|ˇ生器循环方面可谓熟门熟路。美国在为“纳瓦霍”冲压动力巡航导弹研制液体助推器时首次引入了燃气发生器循环,这就是北美洛克达因的XLRNA。论起谱系来虽然它也是从V的型发動机衍生而来的,但它采用了一系列先迸的技术,包括管束书再生冷却喷管,当然沃尔特·里德尔、汊斯·胡特尔(HansHtlter)、鲁迪·贝彻尔(RudiBeichel)、康拉德·丹能f~I(KonradDannenberg)、迪牛寺尔胡泽尔(DleterHuzel)等批德国工程师直接为其研制做出了贡献通过采用燃气发生器循环,XLRNA的比冲较“红石”发动机提高了秒,其在外形上的大特征就没有了后者顶部的双氧水贮箱。与苏联人遭遇液氧煤油大单室燃烧稳定性问题,被迫采用多室并联来解决不同,美国人一开始是搞小单室方案,然后再让小单室共享同一个涡轮泵,这种多室并联方案可谓反其道而行之美国首先槁出了双室的XLRNAl,然后又搞出了三室的XLR钥NAl,最后再放大單室推力研制出了“宇宙神”洲际导弹的发动机,也就是MA系列推迸系统。煤油燃料具有一个非常良好的特性,其密度和液氧相差不大,因此可以仳较简单地布置同轴涡轮泵,即氧化剂泵和燃料泵由一根轴直接相连,以相同的转速旋转RDlOlO和MA推迸系统都采用了这种设计,只是美国人将系统做嘚更复杂,放弃了V上的两泵背靠背直接驱动布局,燃气发生器驱动的涡轮通过组减速齿轮同主泵驱动轴相连,这种方案被称之为涡轮偏置方案。媄国的液氧煤油发动机,特别是洛克达因研制的几种经典机型,例如Hl、Fl、R⒌',采用的都是涡轮偏置方案很快不同的传动布局被开发出来,用以适應不同的推进剂组合和工作参数,主要有直接驱动、齿轮传动、双轴传动三种类型。直接驱动除了V的经典方案,就是两泵背靠背方案,但由于两泵相距过近,需要重点考虑密封问题,一旦出现推迸剂泄漏,可能会引发爆炸齿轮传动则有涡轮中置、涡轮偏置和单泵齿轮传动三种类型,它们嘚区别在于涡轮和驱动轴及主泵的机械关系,其中单泵涡轮传动意味着涡轮直接驱动两个主泵中的一个,因此涡轮和该泵的转速是相同的,另个泵则需要齿轮减速才能达到最佳工作转速。双轴传动又被称为燃气直接驱动,其关键是有两个独立的动力涡轮来分别驱动主泵,这意味着氧化劑泵和燃料泵都可以工作在最佳转速下,所以常用于两种推迸剂密度差别比较大的情形,例如氢氧低温推进剂为达到这一目的,可以直接设立兩个独立的燃气发生器,如果希望简化结构则可以让分流燃气,或者让燃气依次流经每个涡轮。说到这里有人可能会问,喷气发动机不是在年代耒就出现了吗,为什么到了O年代末O年代初燃气透平的研制还这么|两泵背靠背涡轮中置■常见的涡轮泵传动布局T:涡:呛:氧化剂泵F:燃科泵困难呢女Π果细分的话,喷气发动机的涡轮和液液体火箭和固体火箭发动机的涡轮的确有一个很大的差异,前者多使用反力式涡轮(Readi°nTurbine),而后者则多使用冲動式涡轮(ImpulseTurbine),它们在工作原理和涡轮叶片上都有区别说起来,液液体火箭和固体火箭发动机的涡轮更接近燃气透平热动力负雷。关键在于马X动渦轮旋转的扭矩上,茌冲动式涡轮L来目于气流方向的改变,而在反力式涡轮上同时来自于气流速度和方向的改变这样,冲,ˉJ式涡轮要求做功叶爿前缘和后缘较薄、中间较厚,反力式涡轮要求做功叶片前缘较薄、后缘较厚。这样从横截面上来看,冲动式涡轮的叶片比较短,而反力式涡沦使用带扭转角的长叶片当然,并不是说液液体火箭和固体火箭发动机上就绝对不使用反力式涡轮,例如冲动一反力式对转涡轮就是一种比较先迸的设计。V的另一个创新是对喷管和气体发生器采用了再生冷却,同时再生冷却系统也是推进剂·xll用系统的一部分其实,如何实现充分的冷却是热机工作的另一个重要课题,这看上去似乎有点悖论,热机一方面要用释放出的热来做功,另一方面叉要避免部件过热失效。火箭发动机笁作时汩j和使用寿命都双轴驱动涡轮串联"T¤^s非常短,除了多年以后才出现的复用发动机,其余都是用完即废的设计,但在这短暂的工作时间内工況却极其严苛喷气发动机燃烧室内火焰温度可达OK,涡轮前温度可达αDK,新一代发动机甚至可达OOK。但和火箭发动机相比这就是小巫见大巫了,后鍺燃烧室中的燃气温度高达OOO~OOK,燃气压力通常是几兆帕(几十个大气压),采用分级燃烧循环甚至可达O兆帕(约x大气压)整个推力室内壁受到强烈加热,朂严重的部位是喷管喉缩附近。要解决问题并不是简单地采用耐热材料那么简单,必须要采取有效的冷却措施才行保证受热零件正常工作戓提高它们的性能均有赖于冷却技术,常见的冷却技术主要有对流冷却、薄膜冷却、发汗冷却、烧蚀冷却、辐射冷却和隔热层等。这里需要偅点介绍吖J是对流冷却,冷却剂流过受热零件壁面,靠对流传热将热量带走,其基本原理是热的
