火箭发动机工作原理

火箭发动机工作原理

迄今为止，人类从事的最神奇的事业就是太空探索了。它的神奇之处很大程度上是因为它的复杂性。太空探索是非常复杂的，因为其中有太多的问题需要解决，有太多的障碍需要克服。所面临的问题包括：

太空的真空环境

热量处理问题

重返大气层的难题

轨道力学

微小陨石和太空碎片

宇宙辐射和太阳辐射

在无重力环境下为卫生设施提供后勤保障

但在所有这些问题中，最重要的还是如何产生足够的能量使太空船飞离地面。于是火箭发动机应运而生。

一方面，火箭发动机是如此简单，您完全可以自行制造和发射火箭模型，所需的成本极低（有关详细信息，请参见本文最后一页上的链接）。而另一方面，火箭发动机（及其燃料系统）又是如此复杂，目前只有三个国家曾将自己的宇航员送入轨道。在本文中，我们将对火箭发动机进行探讨，以了解它们的工作原理以及一些与之相关的复杂问题。

火箭发动机基本原理

当大多数人想到马达或发动机时，会认为它们与旋转有关。例如，汽车里的往复式汽油发动机会产生转动能量以驱动车轮。电动马达产生的转动能量则用来驱动风扇或转动磁盘。蒸汽发动机也用来完成同样的工作，蒸汽轮机和大多数燃气轮机也是如此。

火箭发动机则与之有着根本的区别。它是一种反作用力式发动机。火箭发动机是以一条著名的牛顿定律作为基本驱动原理的，该定律认为“每个作用力都有一个大小相等、方向相反的反作用力”。火箭发动机向一个方向抛射物质，结果会获得另一个方向的反作用力。

开始时您可能很难理解“抛射物质，获得反作用力”这个概念，因为这好像和真实情况不大一样。火箭发动机似乎只会发出火焰和噪音，制造压力，而与“抛射物质”没什么关系。我们来看几个例子，以便更好地了解真实情况：

如果您曾经使用过猎枪，特别是那种12铅径的大猎枪，那么您就知道它会产生巨大的“撞击力”。也就是说，当您开枪时，猎枪会狠狠地向后“撞击”您的肩膀。这种撞击力就是反作用力。猎枪将31.1克的金属以大约1120公里/小时的速度沿某个方向发射出去，同时您的肩膀会受到反作用力的撞击。如果您开枪时穿着轮滑鞋或站在滑雪板上，枪会起到类似于火箭发动机的作用，反作用力会使您向相反的方向滑动。

如果您见过粗大的消防水管喷水的场景，可能会注意到消防员要花很大的力气才能抓住它（有时您会看到有两名或三名消防员手持同一根消防水管）。水管发生的情况与火箭发动机类似。水管向一个方向喷水，消防员们则运用自身的力量和重量来克服反作用力。如果他们放开水管，那么水管会劲头十足地四处乱撞。如果消防员全都站在滑雪板上，水管将推动他们以极快的速度向后移动。

如果您吹起一个气球，然后放开它，那么它会满屋子乱飞，直到里面的空气漏光为止，这就是您制造的火箭发动机。在这种情况下，被抛射出去的是气球中

的空气分子。与许多人的想法不同，空气分子其实是有质量的（请查看有关氦的页面，以便更好地了解空气质量的问题）。如果您让空气从气球的喷口中喷出来，气球的其余部分则会向相反的方向运动。

太空棒球赛的场景

想像下面的情景：您穿着一套太空服，飘浮在航天飞机外的太空中，您的手中恰好有一个棒球。

如果您把棒球扔出去，反作用力会使您的身体朝与棒球相反的方向移动。身体离开的速度，是由您扔出的棒球的质量和您使它获得的加速度决定的。质量与加速度相乘即为作用力的大小(f=m*a)。无论您向棒球施加的力有多大，它和作用在您身体上的反作用力总是大小相等(m*a=m*a)。所以，我们不妨假设棒球的质量为1磅，而您的身体与太空服的总质量为100磅。您以9.75米/秒（33.8公里/小时）的速度将棒球扔出去。也就是说，您用手臂加速质量为1

磅的棒球，使它获得33.8公里/小时的速度。您的身体将受到反作用力，但身体的质量是棒球的100倍。因此，它向相反方向运动的速度是棒球的百分之一，即0.098米/秒（0.338公里/小时）。

如果想让棒球产生更大的推力，您有两个选择：增大棒球的质量或提高它的加速度。您可以扔出一个质量更大的棒球，或接连不断地扔出多个棒球（增大质量），也可以用更快的速度将棒球扔出去（提高它的加速度）。不过，您能采取的方法也仅此而已。

NASA 供图

这是在美国密西西比州的汉考克郡进行的一次发射测试中，

由一台远程照相机拍摄的航天飞机主发动机的特写照片。

火箭发动机通常抛射的是高压气体形式的物质。发动机向某个方向喷出气体物质，以获得相反方向的反作用力。这些物质来自火箭发动机燃烧的燃料。燃烧过程使燃料物质得以加速，使之以极高的速度从火箭喷口喷出。燃料在燃烧过程中由固态或液态转化为气体，但并不会使其质量发生变化。如果您燃烧一斤火箭燃料，那么就有一斤排出物以高温高速的气体形式从喷口喷出。形态发生了改变，但质量则保持不变。而燃烧过程会加快物质的速度。

下面我们来了解有关推力的更多知识。

推力和固体燃料火箭火箭发动机的“力量”称为推力。在美国，推力的单位是“推力磅数”，而在公制中则以“牛顿”为单位（4.45牛顿的推力与1磅推力相近）。1磅推力相当于使地球上质量为1磅的物体克服重力作用以保持静止所需的推力。在地球上，重力加速度为9.75米/秒（33.8公里/小时）。如果您带着一袋棒球（假设每个棒球的质量为1磅）漂浮在太空中，并且每秒扔出一个棒球，使它与您的相对速度为33.8公里/小时，那么每个棒球将产生相当于1磅的推力。如果您以67.6公里/小时的速度掷出棒球，那么您产生的推力为2磅。如果您以3380公里/小时的速度掷出它们（可能是用某种“棒球炮”来发射它们的），那么您将会产生100磅的推力，以此类推。

关于火箭，有一个有趣的问题：由于发动机抛射的物体实际上是有质量的，因此火箭必须携带这些质量。因此，我们假设您希望每秒掷出一个相对速度为3380公里/小时的棒球来生成100磅的推力，并持续1小时。这意味着您开始时必须携带3,600个质量为1磅的棒球（因为1小时有3,600秒），或总质量为3,600磅的多个棒球。由于您穿着太空服时的总质量只有100磅，于是您会发现“燃料”的质量远远大于有效负荷（也就是您）。实际上，燃料的质量是有效负荷的36倍。而这是个常见的现象。这就是为什么目前必须用一枚巨大的火箭来将一个质量很小的人发射到太空——火箭必须携带大量燃料。

航天飞机

您可以清楚地看到这个质量方程式在航天飞机上的应用。如果您曾经目睹过航天飞机的发射，您就知道其中包含三个部分：

轨道飞行器

大型外贮箱

两部固体火箭助推器（SRB）轨道飞行器的空载质量为165,000磅（1

磅= 0.45公斤）。外贮箱的空载质量为78,100磅。两部固体火箭助推器，每一部的空载质量均为185,000磅。但接下来您必须向其中装入燃料。每部固体火箭助推器将容纳100万磅燃料。外贮箱装有143,000加仑（1加仑= 3.79升）液氧（1,359,000磅）和383,000加仑液氢（226,000磅）。包括航天飞机、外贮箱、固体火箭推进器外壳和所有燃料在内的整个飞行器在发射时的总质量为440万磅。用440万磅将165,000磅送入轨道，这简直是天壤之别。