火箭要垂直發(fā)射的原因
火箭要垂直發(fā)射的原因
火箭有很多種，原始的火箭是將火藥裝在紙筒里，然后點(diǎn)燃發(fā)射出去，起初只是用于過年過節(jié)放煙火使用，或?qū)⑷紵锔皆诠^上用做武器使用。下面學(xué)習(xí)啦給大家分析火箭要垂直發(fā)射的原因，希望能幫到大家。
火箭要垂直發(fā)射的原因
朋友!你是否曾去過酒泉的火箭發(fā)射基地呢?只見碩大的火箭矗立在發(fā)射架上，整裝待發(fā)，就在起動(dòng)時(shí)的一剎那，底部噴出一束熾烈的火光，其火箭徑直沖向碧藍(lán)的天空中。那幺為什么火箭要垂直發(fā)射呢?
其實(shí)火箭在起飛的一剎那要減輕火箭的重量，而且飛行過程中還要減少空氣阻力。人們總是希望只消耗較少的能量便能使火箭平穩(wěn)的起飛，并獲得非常大的飛行速度。
發(fā)射臺(tái)上的火箭起飛之后，如果推力大于重力，火箭才會(huì)慢慢且平穩(wěn)地垂直上升，并逐漸快速飛向空中。假設(shè)不是垂直發(fā)射而是傾斜發(fā)射的，那幺火箭就一定在傾斜的發(fā)射架上滑行非常長(zhǎng)的距離才能獲得足夠的起飛力量，以免很快掉到地上來;這不但要多消耗能量，并且要有很長(zhǎng)的發(fā)射架。彈道式火箭的推力比其重力大不了多少。一般采用垂直發(fā)射較為合適?；鸺w行中所受的空氣阻力和大氣的密度、壓力、溫度有直接聯(lián)系，而空氣的因素又隨高度的不一樣而顯著變化，所以，垂直發(fā)射能夠使火箭盡快地穿過濃密的大氣層而進(jìn)入高空飛行，以降低能量的消耗。
如此可知，垂直發(fā)射火箭是最合理的發(fā)射方法。
火箭的整體性能
火箭技術(shù)集合了高推力(百萬牛頓)，高排氣速度(海平面音速的10倍)，高推重比(>100)以及能在大氣層外工作的能力。而且往往可以通過削弱一種性能而使另一種性能更高。
比沖
衡量發(fā)動(dòng)機(jī)性能的重要指標(biāo)就是單位質(zhì)量的推進(jìn)劑產(chǎn)生的沖量，即比沖(通常寫作Isp)。比沖可用速度(Ve 米每秒或英尺每秒)或時(shí)間(秒)度量。比沖大的發(fā)動(dòng)機(jī)往往是性能極佳的。
凈推力
以下是發(fā)動(dòng)機(jī)凈推力的近似值計(jì)算公式：
公式
由于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)沒有噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的進(jìn)風(fēng)口，因此不需要從總推力中扣除沖壓阻力，因?yàn)閮敉屏偷扔诳偼屏?排除靜態(tài)反壓力)。
節(jié)流
發(fā)動(dòng)機(jī)可通過控制推進(jìn)劑流量 (通常以kg/s或lb/s計(jì))來達(dá)到節(jié)流的目的。
原則上，發(fā)動(dòng)機(jī)可通過節(jié)流使出口壓力降至圍壓的三分之一(噴嘴流動(dòng)分離)而上限可至發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)械強(qiáng)制允許的最大值。
實(shí)際上發(fā)動(dòng)機(jī)可節(jié)流的范圍要出入很大，但大部分火箭都可以輕易達(dá)到其機(jī)械上限，主要的限制因素就是燃燒穩(wěn)定性。例如推進(jìn)劑噴嘴需要一個(gè)最小壓力來避免引起破壞性振動(dòng)(間歇性燃燒和燃燒不穩(wěn)定)，但噴嘴往往可以在更大的范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)整和測(cè)試。而且有必要保證噴嘴出口壓力不會(huì)低于圍壓太多，以避免流動(dòng)分離問題。
能量效率
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)是一種效率極高的熱力發(fā)動(dòng)機(jī)，產(chǎn)生高速射流，結(jié)果如同卡諾循環(huán)一樣產(chǎn)生高燃燒室溫度和高壓縮比。如果運(yùn)載工具的速度達(dá)到或略微超過排氣速度(相對(duì)于運(yùn)載器)，那么能量效率是很高的。而在零速度下，能量效率也為零。(所有噴氣推進(jìn)都是如此)
火箭的冷卻系統(tǒng)
材料工藝
反應(yīng)物料在燃燒室的反應(yīng)溫度可達(dá)約3500 K (~5800 °F)。這個(gè)溫度遠(yuǎn)超出噴嘴和燃燒室材料的熔點(diǎn)(石墨和鎢除外)。的確在某些材料自身承受范圍內(nèi)能找到合適的推進(jìn)劑，但要保證這些材料不會(huì)燃燒，熔化或沸騰也很重要。材料工藝決定了化學(xué)火箭尾氣溫度的上限。
另一種方法就是使用普通材料如鋁、鋼、鎳或銅合金并采用冷卻系統(tǒng)來防止材料過熱。如再生冷卻，使推進(jìn)劑燃燒前通過燃燒室或噴嘴內(nèi)壁的管道。其他冷卻系統(tǒng)如水幕冷卻、薄膜冷卻可以
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
延長(zhǎng)燃燒室和噴嘴的壽命。這些技術(shù)可以保證氣體的熱邊界層在接觸材料時(shí)溫度不會(huì)影響材料的安全性。
火箭中的熱流通量往往在工程學(xué)上是最高的，其變化范圍在1-200 MW/m2。而噴口處熱流通量又是最高的，通常是燃燒室和噴嘴處的兩倍。這是由于噴口處尾氣的高速(導(dǎo)致邊界層很薄)和高溫造成的。
大部分其他的噴氣式發(fā)動(dòng)機(jī)的燃?xì)廨啓C(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)在高溫下，但由于其表面積過大，難以冷卻，因此不得不降低溫度，損失了效率。
常用的冷卻方式
不冷卻：用于短時(shí)運(yùn)行或測(cè)試
燒蝕壁：室壁有燒蝕材料，可不斷吸熱脫落
輻射冷卻：使室壁達(dá)到白熱狀態(tài)以輻射熱量
熱沉式冷卻：將一種推進(jìn)劑(通常是液氫)沿室壁倒下
再生冷卻：推進(jìn)劑在燃燒前先流經(jīng)室壁內(nèi)的冷卻套管
水幕冷卻：推進(jìn)劑噴射器被特殊安置，以使室壁周圍的燃?xì)鉁囟冉档?/p>
薄膜冷卻：室壁被液體推進(jìn)劑浸濕，液體蒸發(fā)吸熱使之冷卻
所有的冷卻措施都是要在室壁形成一層比室內(nèi)溫度低的隔離層(邊界
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)
層)，只要這層隔離層不被破壞，室壁就不會(huì)出問題。而燃燒不穩(wěn)定或冷卻系統(tǒng)故障常常會(huì)導(dǎo)致邊界層的保護(hù)中斷，隨后導(dǎo)致室壁被破壞。
再生冷卻系統(tǒng)還有第二層邊界層，就是圍繞室壁的冷卻管道壁。由于這層邊界層充作室壁和冷卻劑的隔離層，因此其厚度要盡可能地薄，這可以通過加快冷卻劑流速來實(shí)現(xiàn)。
火箭的點(diǎn)火系統(tǒng)
點(diǎn)火可以采取多種途徑：火工裝藥，等離子體焰矩，電火花塞。一些燃料和氧化劑相遇燃燒，而對(duì)于非自燃燃料，可以在燃料管口填充自燃物質(zhì)(俄羅斯發(fā)動(dòng)機(jī)常用)。
對(duì)液體和固液混合火箭來說，推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室都必須立刻點(diǎn)火。液體推進(jìn)劑進(jìn)入燃燒室后點(diǎn)火延遲毫秒級(jí)時(shí)間，都會(huì)導(dǎo)致過量液體進(jìn)入，點(diǎn)燃后產(chǎn)生的高溫氣體會(huì)超過燃燒室設(shè)計(jì)最大壓力，從而引起災(zāi)難性后果。這叫做“硬啟動(dòng)”。
氣體推進(jìn)劑不會(huì)出現(xiàn)硬啟動(dòng)，因?yàn)閲娮⒖诳偯娣e小于噴管口面積，點(diǎn)火前即使燃燒室充滿氣體也不會(huì)形成高壓。固體推進(jìn)劑通常使用一次性火工設(shè)備點(diǎn)燃。
點(diǎn)火后，燃燒室可以維持燃燒，點(diǎn)火器不再需要。發(fā)動(dòng)機(jī)停機(jī)幾秒鐘后，燃燒室可以自動(dòng)重點(diǎn)火。然而一旦燃燒室冷卻，許多發(fā)動(dòng)機(jī)都不能再點(diǎn)火。
火箭發(fā)動(dòng)機(jī)-羽流物理
煤油的廢氣富含碳，根據(jù)其發(fā)射譜線羽流呈橙色?；谶^氧化物氧化劑和氫燃料的火箭的羽流大部分是水蒸汽，肉眼幾乎不可見，但在紫外線和紅外線視野中呈亮色。固體火箭推進(jìn)劑含有金屬元素如鋁，其燃燒發(fā)白光，因此其羽流高度可見。一些廢氣，尤其是酒精燃料的羽流呈鉆石型激波。
火箭的羽流形狀取決于設(shè)計(jì)高度，高度推力及其他因素。在高空所有火箭尾焰都呈超過度膨脹狀態(tài)，并在尾部收束。
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