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。下面學習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)，就在起動時的一剎那，底部噴出一束熾烈的火光，其火箭徑直沖向碧藍的天空中。那幺為什么火箭要垂直發(fā)射呢?
其實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)射臺上的火箭起飛之后，如果推力大于重力，火箭才會慢慢且平穩(wěn)地垂直上升，并逐漸快速飛向空中。假設不是垂直發(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)動機性能的重要指標就是單位質(zhì)量的推進劑產(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)或時間(秒)度量。比沖大的發(fā)動機往往是性能極佳的。
凈推力
以下是發(fā)動機凈推力的近似值計算公式：
公式
由于火箭發(fā)動機沒有噴氣式發(fā)動機的進風口，因此不需要從總推力中扣除沖壓阻力，因為凈推力就等于總推力(排除靜態(tài)反壓力)。
節(jié)流
發(fā)動機可通過控制推進劑流量 (通常以kg/s或lb/s計)來達到節(jié)流的目的。
原則上，發(fā)動機可通過節(jié)流使出口壓力降至圍壓的三分之一(噴嘴流動分離)而上限可至發(fā)動機機械強制允許的最大值。
實際上發(fā)動機可節(jié)流的范圍要出入很大，但大部分火箭都可以輕易達到其機械上限，主要的限制因素就是燃燒穩(wěn)定性。例如推進劑噴嘴需要一個最小壓力來避免引起破壞性振動(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)進行調(diào)整和測試。而且有必要保證噴嘴出口壓力不會低于圍壓太多，以避免流動分離問題。
能量效率
火箭發(fā)動機是一種效率極高的熱力發(fā)動機，產(chǎn)生高速射流，結果如同卡諾循環(huán)一樣產(chǎn)生高燃燒室溫度和高壓縮比。如果運載工具的速度達到或略微超過排氣速度(相對于運載器)，那么能量效率是很高的。而在零速度下，能量效率也為零。(所有噴氣推進都是如此)
火箭的冷卻系統(tǒng)
材料工藝
反應物料在燃燒室的反應溫度可達約3500 K (~5800 °F)。這個溫度遠超出噴嘴和燃燒室材料的熔點(石墨和鎢除外)。的確在某些材料自身承受范圍內(nèi)能找到合適的推進劑，但要保證這些材料不會燃燒，熔化或沸騰也很重要。材料工藝決定了化學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)動機
延長燃燒室和噴嘴的壽命。這些技術可以保證氣體的熱邊界層在接觸材料時溫度不會影響材料的安全性。
火箭中的熱流通量往往在工程學上是最高的，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(導致邊界層很薄)和高溫造成的。
大部分其他的噴氣式發(fā)動機的燃氣輪機運轉(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：用于短時運行或測試
燒蝕壁：室壁有燒蝕材料，可不斷吸熱脫落
輻射冷卻：使室壁達到白熱狀態(tài)以輻射熱量
熱沉式冷卻：將一種推進劑(通常是液氫)沿室壁倒下
再生冷卻：推進劑在燃燒前先流經(jīng)室壁內(nèi)的冷卻套管
水幕冷卻：推進劑噴射器被特殊安置，以使室壁周圍的燃氣溫度降低
薄膜冷卻：室壁被液體推進劑浸濕，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)動機
層)，只要這層隔離層不被破壞，室壁就不會出問題。而燃燒不穩(wěn)定或冷卻系統(tǒng)故障常常會導致邊界層的保護中斷，隨后導致室壁被破壞。
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現(xiàn)。
火箭的點火系統(tǒng)
點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)動機常用)。
對液體和固液混合火箭來說，推進劑進入燃燒室都必須立刻點火。液體推進劑進入燃燒室后點火延遲毫秒級時間，都會導致過量液體進入，點燃后產(chǎn)生的高溫氣體會超過燃燒室設計最大壓力，從而引起災難性后果。這叫做“硬啟動”。
氣體推進劑不會出現(xiàn)硬啟動，因為噴注口總面積小于噴管口面積，點火前即使燃燒室充滿氣體也不會形成高壓。固體推進劑通常使用一次性火工設備點燃。
點火后，燃燒室可以維持燃燒，點火器不再需要。發(fā)動機停機幾秒鐘后，燃燒室可以自動重點火。然而一旦燃燒室冷卻，許多發(fā)動機都不能再點火。
火箭發(fā)動機-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計高度，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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