512 火箭(2/4)
作品:《天兵在1917》还是采用酒精。
&b-1火箭取得了成功,不过由于其极不可靠,最后被放弃。冯.布劳恩则持续发展-2火箭。这个-2火箭就很有开创意义了,哪怕是它外形跟-1没有太大的差别,但内容却完整不同!
&b这个-2火箭开创了一个新局面,首次在液体火箭上应用了挤压循环。其次为了进步飞行稳固性,把持火箭姿势的陀螺仪从弹头移到了弹体中部(-1随着推动剂的耗费会越来越头重脚轻)。
&b第二项就不具体说了,重点说说第一项挤压循环。很多同道可能都不知道什么叫挤压循环,不知道这是干什么用的。众所周知火箭分为固体和液体两种,固体火箭相对简略,可以看做一个大号的炮仗,而液体火箭就相当复杂了。
&b要想懂得液体火箭的工作原理,首先就要从其循环方法进手。为什么是循环方法进手呢?由于单说发动机不足以系统的概括液体火箭的推动装置。
&b液体火箭的推动系统实际上包含了两个部分,一个是发动机,另一个是推动剂增压输送系统(也就是循环方法)。而循环方法可以说是液体火箭发动机产生推力的基础要素。而循环方法都有哪些呢?
&b那就很多了,比如上面说的挤压循环,还有燃气产生循环、分级燃烧循环、膨胀循环等等。里面最早也最简略的循环方法就是挤压循环了。而要懂得这种循环也很简略,初中物理中我们应当接触过“水火箭”。水火箭很简略,用可乐瓶加一个橡胶密封塞就够了。在瓶内装一部分水(不要太多也不要太少)发射前用打气筒向其中打进空气,挡瓶内的压力达到必定程度之后摆脱固定,然后瓶内的压缩空气就会将水挤出来形成反作用力推动水火箭飞行。
&b而这就是范例的挤压循环。可以想象连常温下的水都能蕴含这么大的能量,假如瓶子里装的不是水而是水蒸气呢?高温高压的水蒸气经过喷管进行适当的膨胀可以产生更大的能量,蒸汽机的锅炉爆炸的威力同道们心里应当是有数的。
&b不过火箭上并不实用这一套方法,由于加热水需要能量,总不能给火箭也装个锅炉吧?并且加热水需要一个长期的过程,且水本身的重量也太大了,即使能够在火箭上将水烧成高压蒸汽,恐怕这个火箭也飞不了多高。
&b说到这里,就必须涉及到火箭发动机经常采用的一个概念——比冲。简略的说,比冲就是耗费一个单位推动剂产生的冲量。这个冲量是一个过程量,即力的作用对时间的积累效果,也就是力对时间的积分。对于火箭来说,我们不仅要足够“给力”,而且给力的时间太短也不行,至于太耗费推动剂那就更不行了。
&b回到冯.布劳恩的-2火箭设计上来,想要进步氧气、酒精火箭的比冲,那么唯一的措施就是给推动剂加压,进步其流速。也就是前面水火箭里打气筒的作用。冯.布劳恩选择将陀螺仪从火箭头部移开之后,在这个地位他装了一个加压氮气瓶(即蓄压器),向推动剂贮存箱注进氮气后形成气枕,挤压液氧和酒精形成增压。这就是挤压循环。
&b到了-3火箭的时候,冯.布劳恩又进了一步,在-2的基础上进行了创新。他将加压氮气瓶埋进液氧储存箱当中,液氧贮存箱和氮气瓶呈同心安排。由于液氮的沸点低于液氧,因此被液氧包围的氮气瓶可以保持在很低的温度下。采用这种设计可以用较小的氮气瓶容纳较多的氮气,可以使发动机工作更长的时间,同时也较为节俭弹体内部的空间。而这种布局也被后代的大型运载火箭和弹道所继续。
&b而这就是挤压循环的基础原理,和其他的液体火箭循环方法不同之处在于,挤压循环不需要涡轮泵。尽管这导致此种循环方法性能较低,但也不是完整没有利益。比如进步了可靠性,将机械部件减少到了最低,并且推动剂在送进推力室之前不会相遇,也就避免了涌现残液结冰的可能。
&b不过挤压循环的问题也是明显的,随着增压气体注进推动剂贮存箱,增压效果会随着时间推移变得越来越差。假如要延伸火箭发动机的工作时间,就必须携带更多的推动剂,与此同时增压气体也要加量,成果必定导致将要携带一个宏大的增压气瓶,而作为一个压力容器其质量可想而知的大。更糟糕的是,挤压循环工作时会对推动剂贮躲箱施压,对了保证推动剂贮躲箱的安全,必定也要加强其结构,而这也将导致重量飙升。
&b也就是说挤压循环最后会陷进一个面多加水水多了再加面的恶性循环,其效能实在是有限。那么能不能跳出这个逝世胡同呢?
&b答案是可以。为液体火箭发动机增压的措施人类很早就想到了,比如说风箱就是一个加压的好措施。在蒸汽革命时代,为了加强锅炉的燃烧效率,工程师就想到了强圧透风的措施,说白了就是给锅炉加一个鼓风的泵。
&b俄国的航天先驱齐奥尔科夫斯基就最早意识到,要想充分施展液体火箭的推动效率,就必须进步液体推动剂的压力,他很有前瞻性的提出了利用泵机对推动剂加压的方案。在1903年,这位航天先驱就绘制了一张液体
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