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液体火箭发动机如何工作

液体火箭发动机自带燃料和氧气,把它们泵进燃烧室燃烧,再让高温燃气从逐渐变宽的喷管喷出。跟着推进剂从贮箱一路走到喷管出口的推力。

液体火箭发动机 · 剖面 贮箱 → 涡轮泵 → 喷注盘 → 燃烧室 → 喷管 燃料贮箱 储存燃料 氧化剂贮箱 储存氧化剂 燃料涡轮泵 为燃料加压 氧化剂涡轮泵 为氧化剂加压 喷注盘 喷出推进剂 燃烧室 燃烧推进剂 再生冷却夹套 防止壁面熔化 德·拉伐尔喷管 让高温燃气膨胀 发动机结构 外壳(半透明)
发生的顺序 贮箱 → 涡轮泵 → 喷注盘 → 燃烧室 → 喷管
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详细说明

什么是液体火箭发动机?

液体火箭发动机是一种靠燃烧液体推进剂、把高温燃气从尾部喷出来产生推力的机器。与喷气发动机不同,它自带氧气,因此在没有空气的地方也能工作。它的核心是一个在极高压力下运行的燃烧室,由泵供料,末端接一只钟形喷管。

为什么要看进内部?

从外面看,火箭发动机不过是一堆贮箱、管路和一只喷管。真正有意思的工程——推进剂如何被泵送、喷注、燃烧和冷却——全都发生在内部,所以把它剖开,才是看清各部件如何配合的最直观方式。

部件及其作用

1. 贮箱储存推进剂

燃料和氧化剂分装在两个贮箱里。它们之所以要分开存放,正是因为一旦相遇就会发生反应,所以只在发动机内部的最后一刻才混合。

2. 涡轮泵把压力升上去

燃烧室的压力远高于贮箱。由小型涡轮驱动的泵从低压贮箱抽走推进剂,把它加压到燃烧室压力。贮箱只负责装液体,真正“推”的是泵。

3. 喷注盘把它们喷进燃烧室

燃烧室顶部是一块钻有许多小孔的喷注盘。它把两股流动分成细密的射流,让燃料和氧化剂尽可能充分地混合,从而获得干净而高温的燃烧。

4. 燃气被冷却并约束住

燃烧产生的燃气温度高达数千度。为防止壁面熔化,低温推进剂在燃烧之前先流经燃烧室壁面外的一圈夹套通道——这就是再生冷却。它既保护了金属,又顺带加热了推进剂。

5. 喷管让燃气膨胀成推力

高温燃气先经过狭窄的喉部,再进入逐渐变宽的钟形段——德·拉伐尔喷管。膨胀让燃气加速超过音速,而快速离开发动机的排气,正是把飞行器向前推的力。

火箭为什么必须自带氧化剂?

因为太空中没有空气。火箭必须同时携带燃料和助燃用的氧气,把它们分装在两个贮箱里,只在发动机内部才混合。

推力究竟是怎么产生的?

靠喷管。推进剂燃烧产生高温高压燃气,逐渐变宽的德·拉伐尔喷管让燃气膨胀、加速到超音速喷出,这股高速排气就是推力。

为什么需要涡轮泵?

燃烧室的压力远高于贮箱。由小型涡轮驱动的泵把推进剂加压到燃烧室压力,才能顶着这个压力把推进剂喷进去。

发动机怎么扛住高温?

靠再生冷却。低温推进剂在燃烧之前先流经燃烧室壁面外的夹套通道,一边吸走热量,一边把壁面温度压在熔点以下。

排气是靠顶着空气才产生推力吗?

不是。火箭靠向后方高速抛出质量工作,根据牛顿第三定律发动机被推向反方向。它不需要空气,因此同一台发动机在太空真空中同样有效。

常见误区

火箭需要空气才能蹬出去。 看起来像是排气在推挤大气。
它靠向后抛出质量来工作。 发动机被自己的排气推着向前,所以真空里也一样有效。
靠贮箱压力给发动机供料。 人们会想象贮箱把推进剂挤进燃烧室。
真正“推”的是涡轮泵。 燃烧室压力远高于贮箱,是高速的泵把推进剂顶进去的。
喷管只是把火焰对准方向。 似乎钟形段只负责让排气朝一个方向喷。
喷管让推力更高效。 它让燃气膨胀加速;排气越快带走越多推力。
免责声明:本图解为教学目的做了大幅简化,真实系统变量与复杂度远超此处。不可用于工程生产用途,也不构成金融、政治或专业建议。