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飞天“雄心”——导弹发动机有哪些分类?又是如何工作的?

发布日期:2022-08-14 08:28    点击次数:160

自从1942年,德国首先研制出V1、V2导弹后,整个世界就进入新武器时代。

导弹彻底改变了战争模样,以前由火炮称雄的战场,现在变成了导弹主宰。各种远程导弹让现代军队在兵力到达前,先实现火力到达,战场反应速度和火力强度比以前提高很多。

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▲德国V2弹道导弹

一辆F1赛车极速达300多公里/小时,一架侦察机极速达2-3马赫,一枚奔月火箭速度超过7.9千米/秒。这些高速的背后,都离不开一颗强大澎湃的“动力之心”。

导弹也一样,强悍发动机赋予其风驰电掣的能力,成为现代战场上的先行者。

但是导弹使用范围很广,所以种类也很多:

1、有体型庞大的洲际弹道导弹,其飞行轨迹中间有一大段位于高层空间。那里空气稀薄、阻力很小,需要导弹自己携带氧化剂和还原剂。

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2、有射程极远的巡航导弹、飞航式导弹。它们在稠密的大气层中飞行,升力强、阻力大,可以吸入空气燃烧作工质,自己只携带燃料即可。

3、还有机动灵活,拦截飞机和航空器的防空导弹;低空飞行的反坦克导弹;以及速度达十几马赫的高超声速飞行器等等。

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▲俄罗斯“锆石”超音速反舰导弹

导弹种类繁多,所以发动机也多种多样。有的全程工作,有的只工作几秒,有的推力巨大,有的能脉冲点火。它们各有优缺点,在不同环境中发挥巨大作用。

总的来说,导弹发动机有三大类:火箭发动机、吸气式发动机、特种发动机。

一、火箭发动机。

火箭发动机应用广泛,体型从小到大(直径0.6厘米~6米)都有,推力从零点几到10兆牛不等。按推进剂不同,分成液体火箭发动机、固体火箭发动机和固体-液体组合火箭发动机。

1、液体火箭发动机。

源于1903年俄国著名火箭专家——齐奥尔科夫斯基提出的火箭构想。二战时期,德国科学家研制出A4液体火箭发动机,装备到V2弹道导弹上。

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▲挤压式和泵压式液体火箭发动机

液体火箭发动机燃烧,有单组元、双组元、三组元等不同形式。

单组元通过自身分解和燃烧产生高温高压气体。双组元由氧化剂和还原剂两种物质混合后燃烧,产生高压推进气体,如液氧-煤油、液氧-酒精、液氢-液氧、偏二甲肼-四氧化二氮等等。

第一代洲际弹道导弹由火箭发展而来,所以美国大力神-I、苏联SS-10等都采用液体火箭发动机。美国“长矛”、苏联SS-3地地战术导弹也同样是液体火箭发动机。

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▲大力神-I洲际导弹LR-87液体火箭发动机

液体火箭发动机比冲高、工作时间长、推力灵活易控制、可多次点火、容易多级串并联使用,适合在运载火箭、大型导弹上使用,或作为小型姿态调整发动机使用。

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▲小动量发动机喷射气体调整姿态

其缺点是液体燃料不易保存,使用前要提前加注,准备时间长,结构复杂,反应速度慢,部分燃料有剧毒,对使用者产生危害等等。所以研制新型高性能液体推进剂,减轻结构重量,扩大性能参数调节范围是未来发展方向。

2、固体火箭发动机。

魔法少女樱 SourceHanSansCN, "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei", "Helvetica Neue", Arial, Helvetica, DINAlternate-Bold;white-space: normal;background-color: rgb(255, 255, 255);">为了提高反应速度,工程师又琢磨着将燃烧剂和氧化剂做成固体,以药柱或浇铸成型的方式装填到燃烧室里(兼作储存容器),成为固体火箭发动机。由燃烧室、喷管和点火装置组成。

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▲固体火箭发动机结构

20世纪60年代,固体火箭发动机关键技术取得突破,其后很多导弹都改成了固体火箭发动机。

它具有推力大、反应速度快、结构简单、可靠性高、使用方便的优点,非常适合需要高速机动和快速反应导弹。如战术地地导弹、防空导弹、空空/空地导弹、反坦克导弹等。

它的缺点是比冲低、重量大、不容易多次点火和调节推力,对运输、贮存环境要求严格。

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▲单室双推力固体火箭发动机

现代先进空空导弹的战术需求,还催生了多种新型固体火箭发动机,如单室双推力、双室双推力、双脉冲固体火箭发动机等等。原理是利用多节药柱分次点火,使空空导弹兼具巡航飞行和末端加速能力。

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▲双脉冲固体火箭发动机

在此之前,空空导弹火箭发动机只在初始阶段工作几秒到十几秒,然后发动机停止工作,导弹剩余阶段全凭惯性飞行。所以空空导弹速度越来越低,每次机动都消耗大量能量,最后追不上飞机或被其摆脱自毁。

换装双推力、双脉冲发动机后,空空导弹巡航阶段可以用燃速较慢的药柱节约能量;到末端导引头锁定目标后启动速燃药柱,导弹瞬间提速获得巨大动能,敌机就无法摆脱了。

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▲双脉冲固体火箭发动机

3、固体-液体混合火箭发动机。

它的推进剂由固体燃料药柱+液体氧化剂,或者固体氧化剂+液体燃料组成。工作性能介于固体、液体火箭发动机之间,燃烧室尺寸小,比冲大。但是燃烧不均匀,火焰温度太高,现在已很少使用。

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▲固-液混合火箭发动机

二、吸气式发动机。

服务与支持 69);margin-bottom: 25px;font-family: "PingFang SC", SourceHanSansCN, "Hiragino Sans GB", "Microsoft YaHei", "Helvetica Neue", Arial, Helvetica, DINAlternate-Bold;white-space: normal;background-color: rgb(255, 255, 255);">吸气式发动机非常常见,导弹、飞机、军舰上到处都有,分涡喷发动机、涡扇发动机、冲压发动机、火箭-冲压发动机等。

1、涡喷、涡扇发动机。

二战中,德军将涡喷发动机装备到Me-262战斗机上,成为第一种用于实战的喷气式战斗机。

其后涡喷、涡扇发动机迅速发展,在巡航导弹、反舰导弹上广泛使用。因为它们在大气层中飞行,自身携带燃料有限,又需要很远的射程,所以经济高效的发动机必不可少。

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▲上涡扇,下涡喷发动机

一般小型涡喷发动机体积小、成本低、可靠性高,适用于战术巡航导弹,如美国AGM-84 “捕鲸叉”空射反舰导弹等。

小型涡扇发动机经济性更好、耗油低、排气流红外辐射弱,适用于远程战略巡航导弹,如美国BGM-109“战斧”巡航导弹等。

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▲战斧巡航导弹发动机

2、冲压发动机。

冲压发动机也是非常优秀的发动机,适合在大气层中飞行速度高于2马赫时使用。

冲压发动机是纯通管发动机,结构很简单,只有进气道、燃烧室和尾喷管,没有压气机,没有涡轮,也没有旋转部件。但其推力很大、重量轻、成本低,当飞行速度大于3马赫时经济性和效率都很高。

它工作时,迎面高速气流从进气道进入,抵达燃烧室后因速度骤减而压缩,密度增大温度升高。与雾状燃料混合点燃,形成高温高压气体,由尾喷管膨胀加速喷出,获得巨大推力。适合各种舰空、地空导弹、靶弹和高超音速飞行器使用。

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▲各种冲压发动机

但是”甘蔗没有两头甜“,冲压发动机也存在重大缺陷。其没有压气机不能压缩空气,所以低速时不能启动,必须要借助其他方式达到一定速度后才能启动,对使用环境要求很高。

现在冲压发动机还普遍是亚声速燃烧,但超声速燃烧冲压发动机已在紧张研制中。它的燃料在大于声速的气流速度中燃烧,等技术成熟后,将大大突破现有速度和高度,使飞行器速度达6~25马赫!

将其装备在高超声速巡航导弹、高超声速飞机和空天飞机上,1小时内可到达全球任何目标。

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3、吸气式火箭发动机。

吸气发动机和火箭发动机各有优缺点,若将二者组合在一起,就能满足速度与效率、中低空与高空、机动性与远射程的多重需求。它就是兼具二者优点的吸气式火箭发动机,也叫管道火箭发动机,如整体式火箭冲压发动机。

它的构思之精巧,简直让人不可思议。固体火箭发动机和冲压发动机组合成一个整体,以冲压发动机的燃烧室作贮存室,容纳固体火箭发动机燃料。

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工作时固体药柱先燃烧,将导弹加速到1~2马赫。等固体燃料烧完,燃烧室就空余出来,恢复其本来作用。然后冲压发动机打开进气口,抛掉火箭尾喷管,点燃混合燃气将导弹加速到3~4马赫以上。

这种组合最大限度的利用了空间,体积小、重量轻,在地空导弹、反舰导弹和部分空空导弹上广泛应用。

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▲流星空空导弹采用整体火箭冲压发动机

如苏联“萨姆-6”地空导弹,就是典型的整体式火箭冲压发动机。欧洲研制的“流星”远程空空导弹也采用此类发动机,导弹全程都有动力支持,机动能力大大提高,是目前最先进的空空导弹之一。

三、特种火箭发动机。

如今火箭发动机、吸气发动机、组合发动机占据了导弹发动机的主流。但除此之外,人们还在研究很多新发动机,运用到导弹和运载火箭上。如核火箭发动机、电火箭发动机、等离子体发动机、太阳能火箭发动机和光子火箭发动机等等。

核火箭发动机利用核能加热工质,产生推力,具有无限航程、推力大、比冲高,工作时间长等优点。

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它曾经应用在导弹上,如美国“冥王星”核动力巡航导弹。这种导弹在大气层内飞行,就像一个移动核反应堆,一路飞一路污染。不仅对敌人有杀伤,对自己也没什么好处,所以只实验了一次就下马了。

不过2018年,为应对世界形势变化,俄罗斯新型9M730“海燕”核动力巡航导弹试射成功,使其重新回到公众面前。和风漫谈原创,禁止抄袭。

核火箭发动机在未来宇宙飞船星际航行中有巨大价值,反正太空中充满辐射,小小核尘埃根本不算什么。

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▲等离子体发动机

还有电火箭发动机、等离子体发动机、太阳能火箭发动机、光子火箭发动机等,它们的比冲都非常高,达到7000~200000m/s,工作时间很长,工质喷射速度极快。但是推力都很小,只有零点几到几十牛,适合作火箭、导弹姿态调整或星际航行发动机使用。

这些形形色色的“飞天雄心”不断发展,使导弹拥有更强大战斗力和更远作战范围。从陆地到海洋,从大气层内到茫茫太空,导弹将继续统治未来战场,直到被更先进的武器替代!