航天飞机|3.5米新固体发动机，凭什么全球最强悍！火箭发动机|2021东京奥运

文章图片

文章图片

文章图片

3.5米直径新固推，额定推力500吨，是全球单位推力最大、最先进的固体火箭发动机！有人说不对啊，超级大国航天飞机上使用过的2台固体火箭发动机，外观直径3.7米，单台最大推力1379吨级。不论直径还是推力指标，都明显大于目前的3.5米直径的新固推，怎么就敢说新固推是全球单位推力最大、最先进的固体火箭发动机呢？其实要瀚海狼山、匈奴狼山来解释这个问题，首先还是需要对固体火箭发动机的基本工作原理和内部结构有一个科学认知，才能理解为何说3.5米的新固推是绝对的全球第一。在3.5米的新固推之前，超级大国航天飞机上的2台固推助推大火箭，一直被认为是全球最强。而此后苏联在暴风雪号航天飞机和能源号大火箭上也搞超级固推，号称比超级大国航天飞机的是2台固推性能更强、推力更大。
不过由于超级大国航天飞机上的2台大固推最出名，因此仍然以此为例来说明。航天飞机上的两台大型固推助推火箭，英文缩写为SRB ，是一种可重复使用的大型火箭。航天飞机起飞时，提供早期主要推力的就是这2台大型固推火箭。航天飞机其实是一种一级半就入轨的重型载人兼载货航天系统。起飞全重接近3000吨，而起飞推力超过3300吨级。航天飞机的第一级，其实就是这2台SRB大型固推助推火箭。 2个SRB提供航天飞机离地时的主要推力，一直工作到约45公里以上的高度，然后脱离。航天飞机携带巨大的橙色燃料罐子继续飞行。燃料罐虽然巨大，却并没有自带发动机。只有用航天飞机自身的尾部发动机燃烧喷气，继续后面的飞行。最终液体燃料罐内部的燃料和氧化剂都用完后，航天飞机此时的速度只有7公里每秒稍多，仍然无法直接入轨，因此航天飞机，
还需要靠100吨左右的机体内部的少量燃料再助推一段，才能达到入轨速度和矢量；因此航天飞机被叫做一级半入轨的航天器。两个SRB燃烧完毕后自动往海面降落。期间打开大型降落伞，经过海上船舶回收再装填后重复使用。两个SRB其实是非常巨大的。主体外直径3.7米，全高45米，单个全重590吨，内装500吨的固体燃料。这500吨的发动机推进剂由高氯酸铵做氧化剂，占70% 。燃料为铝粉占16% ，聚合物主要是HTPB ，还有环氧树脂固化剂，占2% 。这种推进剂被称为高氯酸铵组合推进剂APCP 。海平面比冲为242秒，真空比冲268秒。除了500吨的燃料，另外90吨主要是金属外壳、各段的密封圈、降落伞、控制系统和喷嘴等附件组成。 590吨的全重相对于最高1379吨的推力，最大推重比是2.33 。 2台SRB显然是全球最高大的固体火箭发动机。毕竟3.7米的直径相当于一间普通卧室的进深。
而45米的总高度等于15层居民楼高度。但是如此巨大的SRB ，仍然必须符合几乎所有固体火箭发动机的基本构造和工作原理。这就在于所有的固体火箭发动机的主体部分，就是发动机系统本身。这和液体大火箭上面都是巨大的燃料和氧化剂储存箱，只有尾部是发动机和喷嘴的构造是完全不同的。现代固体火箭发动机不管大小长短。基本都是从最上部点火，然后从中间喷射管部分往外壳方向依次燃烧。所有固体火箭发动机的推力大小变化，只与内部燃烧的总面积有关。固体火箭发动机都是从中间上下贯通的燃烧管部分开始燃烧，然后往外壳方向的燃烧面积越来越大。因此大部分固体火箭的推力在后期比刚刚发射时的推力大。但是对大型火箭和航天器来说。刚刚点火起飞时的推力要求最大。因为刚刚起飞的火箭或者航天器全重最大。为了达到起飞时推力就尽量大的目的，当今的大型固推，
中间的燃烧管都不再是一个单纯的圆筒。而变成了横截面是雪花片状的复杂结构，这对燃料的配方和浇筑工艺要求极高。甚至需要对高能固体燃料浇筑以后再进行“精细雕刻”处理。说到这里，就应该明白了。虽然航天飞机的2台SRB非常巨大，但是点火以后，是45米的高度，从上到下一起燃烧的，才能产生1379吨的最大推力。而且直径是3.7米， 45米高度的固体燃料柱，也不是一次性浇筑而成。而是由至少7段固体燃料圆柱体叠加而成，每段之间都有橡胶密封圈。而当年航天飞机爆炸，就是橡胶密封圈失效导致SRB的高温燃气泄漏引发。对航天飞机巨大的SRB来说。是采用7段3.7米直径的巨型固体燃料药柱叠加，才最大可以产生1379吨的推力。实际上如果平均到每段药柱单独拿出来的最大燃烧推力，必须用1379去除以7 。因此每段3.7米直径的APCP燃料只能产生不到200吨级的极限推力值。