液体火箭VS固体火箭!到底哪个能力强,今天咱们说端详!

固推VS液推,能力谁更强?
火箭上天,始终有神教之争!固推的暴力美学,液推的毒王飞天、煤油拉面、甲烷幽蓝、液氢透亮!个个漂亮!可总有固液之争!推进剂技术哪家强?熹天取经带你看端详!来说说固推和液推各自的原理和优缺点。
【固推原理】
固体推进剂,就是咱们常说的火药、炸药,把固体火箭理解成二踢脚、窜天猴就好了!
固推分成两种,双基推进剂和复合推进剂。
双基推进剂,鞭炮、地雷、手榴弹,用的就是。还记得电影《地雷战》里:“一硝二磺三木炭,包上铁皮搭上引信,不见鬼子不挂弦。”就是这个。大家都能做,但是可千万别去试。双基推进剂在二战当中的各式火箭中,应用的很多。
复合推进剂,大型固体火箭用的是这种。它是由高分子的有机化工材料与氧化剂粉末、燃烧剂粉末和助燃的金属粉末、固化剂粘结剂等多种非金属和金属材料混合搅拌成胶体后,再注入壳体,固化而成的。比如,我国某品牌快递、SLS的固体助推,都是这样的。
这是固推火箭的结构图。中间是空的推进剂药柱,上边是点火装置。点火装置一点火,喷出来的燃烧物,通过中间的燃气通道,把两侧的推进剂药柱给点着,火焰从喷管喷出来,推力就来了。
好,问题来了。为什么要把药柱中间给掏空呢?感觉身体被掏空,对吧!
咱们比较来看。这是不掏空的,那就从一头烧。这会有两个问题。一来,燃烧面不是很大,产生的推力就不够大。二来,高温燃气会跟内壁直接接触,壳体未必能忍。那想让壳体受得了,就得加厚它,整体重量又上去了。那做成中空的,燃烧的面积一下子变大了,而且烧到最后,高温燃气才跟壳体接触。是不是就好多了。那新的问题又来了,火箭起飞的时候,自重最大,空气密度最大,推力应该更大,燃烧面最好也更大。可是你会发现,如果中空是圆的,反而是刚开始的时候,烧的侧面积小,越烧侧面积越大,因为圆的直径在扩大,C=2πr=πd。实际情况是,截面做成像这样的小星星,具体几个角,根据需求来。而且药柱并不是从上到下一个形状,根据各个阶段的推力、需求等,分成不同的段、不同的形状,达到最大燃烧效率。比如,航天飞机的固体助推,分成四段,其中一段是11个角,其它是圆形的,但大小不一样。SLS的固推助推是五段的。咱们国家长六改的助推器是两段的。
【固推优点】
第一,省。固发结构简单、造价低,药室、药柱、喷管,基本就搞定了。造价一般是液发的1/10到1/20。
第二,稳。固推,药柱肯定是固体的,比液体燃料会更稳定,储存更方便、更安全。
第三,快。固推燃料储存时间长,所以可以弄好了放着,说用拿出来就用。一般也用三平测发模式,发射准备流程相对简单。这就确保了固体火箭发射服务的履约周期更短,可以提升发射服务品质。发射应急卫星,面对突发状况,固体火箭会更合适。液体燃料,需要在发射前才加注,前期准备时间会长,得有7到20天左右。
第四,小。结构简单的固体火箭发动机可以做得很小很轻,更容易实现小型化,不仅能够兼顾海陆机动发射,就算拓展到逐渐兴起的空中试验、发射模式,也具备先天优势。
【固推缺点】
第一,比冲小,固发比冲在250到300秒。比如说,美国重返月球的SLS固体助推真空比冲为278.5秒。液体的猛禽1约330秒,猛禽2为327秒。
第二,烧的太快了,工作时间短。轰一下子劲挺大,但时间短,耐力不足、不够持久。
第三,劲儿大,那加速度就大,导致推力不容易控制。
第四,很难重复起动。点火之后,只要燃料不耗尽,基本就是一直烧,“根本停不下来”。这样要实现推力调节也是极难的。
实际你可以想象一个炮仗,你放出去了,再要控制它,很难的。
【固推应用】
固体火箭虽然在运载火箭家族中属于“少数派 ”,但也从未被忽视。
咱们之前说过的,美国的米诺陶、欧空局的织女星、日本的艾普斯龙。咱们国家就更多了,长征十一号、快舟十一号、快舟一号甲、力箭一号、捷龙一号、捷龙三号、谷神星一号,还有前两天复飞成功的双曲线一号。
另外,2021年,咱们国家自主研制、推力达500吨的整体式固体火箭发动机试车成功,综合性能达到世界领先水平,打通了我国千吨级推力固体发动机发展的关键技术链路。同时,直径3.5米级五段固体发动机也在研究,最大推力可以达到千吨以上。
那从未来来看,中小型载荷发射需求近年来大量增长,固体火箭如果能进一步提升低成本快速履约能力,开展组批生产和批量化研制,市场前景还是很好的。
【液推原理】
就是推进剂是液体的,一个氧化剂、一个燃烧剂,把它俩弄到一起,点着喷火,就好了。
不过,液体火箭的结构就要复杂得多。
液体推进剂有常温的,也有低温的。
常温的,就是大家常说的毒发。燃料是偏二甲肼、四氧化二氮,这俩碰到一起就自燃了,跟青春期的少男少女一样,干柴烈火、一碰就着。代表性的火箭,咱们国家大家熟悉的长征二号F。还有就是被称为毒王的俄罗斯质子M,这个画面要再放一遍了。咱快进着看完。
那低温液体推进剂组合,有液氧液氢、液氧煤油、液氧甲烷。比如,长征五号,助推器是液氧煤油的,芯一级和芯二级是液氧液氢。液氧甲烷,目前还没有成功入轨的火箭。
【液推优点】
实际固推的缺点反过来,就是液推的优点。
第一,比冲高,运载能力更强,刚才跟固推的比较中已经看出来了。特别是到了真空中,大气压力减小,液发的优势就更加明显了。
第二,工作时间长。液体发动机燃料是从燃料罐里泵出来的,充分混合,燃烧会更充分、速度更均匀、效率更高,可以最大限度提高燃烧时间。
第三,可调可控。因为有泵,也就相当于有个阀门,我就可以开开关关、或者控制流量大小,一定范围内增加或减少燃料。这样就能实现反复起动、能控制推力大小,灵活性好于固推。遇到紧急情况还可以紧急刹车,比如日本H3第一次准备飞的时候,芯级都点火了,然后发现异常,就停掉了。再比如,1992年3月22日,长二捆发澳星紧急关机。大家应该还记得,点火之后冒出一阵黄烟,随后紧急关机。后来查明的事故原因是,程序配电器出现了0.15毫克多余铝屑物,产生电弧,接通了一号和二号助推器发动机氧化剂断流阀门电爆管,导致一号、二号助推器发动机在点火后随即关机。计算机测算推力不够,所以在点火之后7秒,紧急关机。如果这是固推,点了火了,就真的开弓没有回头箭了。
【液推缺点】
液体燃料一般不太好储存,尤其是低温燃料,需要一整套严格的密封贮存设备,苛刻的工作流程,否则就很容易蒸发和逃逸,甚至引发爆炸或其它事故。
另外,有些液体燃料,比如液氢密度小,需要的贮箱就要很大,火箭自重也会上去。
同时,液体燃料会有腐蚀的作用,对贮箱有影响,所以要发射前一天或者十几小时才加注,加注完了也要尽快发,如果有状况发不了,燃料还得卸载。这就使得液体燃料的火箭,无法达到固体火箭那么短的准备周期。
而且,液体火箭发动机的构造也比固体火箭复杂,最终造成了液体火箭复杂并且成本高的局面。
当然,毒发的话,还有毒!对吧。
综上,追求运力,液体火箭更胜一筹。快速响应,液体火箭力不从心。
【固液结合】
它们各有优缺点,能不能两者结合、软硬兼施一下呢?当然可以!
利用固推的一股子蛮劲儿,在火箭发射的时候先给它怼上去,然后液发跟着一起发力。所以,现在有一批火箭是固体助推加液体芯级。
比如,咱们国家的长征六号改,美国阿尔忒弥斯任务的SLS,欧空局的阿丽亚娜5,印度也有GSLV3,还有前段日本发射失败的H3。
所以综合看下来固体推进剂、液体推进剂,谁也别嫌弃,取长补短、一起努力,飞到更远天际!