液态火箭燃料:液态氢,甲醇、乙醇、高浓度水合肼、二甲肼、硝基甲烷等。
固态火箭燃料:硼氢化钠、二聚酸二异氰酸酯、二茂铁及其衍生物等。
常用燃料:液氧-煤油液氧-甲醇过氧化氢-对苯二酚。
助燃剂指的是本身不能燃烧,但能发生燃烧所需要的氧的物质。
就广义而言,为了改进燃烧状况所用的添加剂,均属助燃剂。
助燃剂包括燃烧促进剂、淤浆分散剂、水分离剂、灰分改质剂、乳化剂和催化剂。
助燃剂很多,如氧气、氯酸钾、硝酸钾等。
从理论计算来看最佳液态燃料是液态氢,它与液态氧混合燃烧可以产生大约等于350的比冲量[比冲量:火箭发动机的推力(千克力)与其喷出质点每秒质量流量(kgs)的比值]。
如果用液态臭氧或液态氟来代替液态氧,那么比冲量可提高到大约370。
燃烧剂和氧化剂都是呈液体形态的发动机则称为液体燃料发动机。
某些密度小的金属或非金属,例如锂、铍、镁、铝、硼等,尤其是铍在燃烧的过程中能释放出巨大的能量,每千克铍完全燃烧放出的热量高达15000kJ,是一种优质的火箭燃料,放出的热量比氢气还多。
通常把这些金属做成纳米级大小微粒的燃料剂。
例如在火箭发射的固体燃料推进剂中添加质量分数1的纳米级铝或镍微粒,每克燃料的燃烧热可增加l倍。
液氢和液氧。
氢是所有元素中最活泼的,要控制好液氢燃烧的难度极高。
所以液态氢一般不作为第一、二级火箭的燃料来使用,避免低空发射时爆炸的事故。
多用作高空航行中高能末级火箭推进剂。
比冲量
又称比冲量、比推力。它是用于衡量火箭或飞机发动机效率的重要物理参数。其大小与发动机的推进剂化学能、燃烧效率和喷管效率相关。发动机比冲越高,相同条件下推进剂能够产生的速度增量也越大,发动机效率也就越高。
中文名比冲量
外文名Specific impulse
性质动力学术语
符号Isp
单位N/(kg/s)、s、m/s
影响因素化学能、燃料效率和喷管效率
用途衡量火箭引擎效率的一种标准量
分类海平面比冲量、真空比冲量
定义标准定义比冲的定义为单位推进剂的量所产生的冲量,用符号表示。其中推进剂的量有两种描述方式,一种是重量描述,一种是质量描述。相应的定义式如下:
重量描述
质量描述
其中:
:推进剂的产生的冲量
:推进剂的重量
:推进剂的质量
需要注意的是,一般重量概念与地表附近的引力场有关,但在太空或轨道中重量只表示质量乘以标准重力加速度(或称标准重力),即,是一个约定的常数,精确定义为/,不随所处引力场位置变化而变化。
扩展定义将定义式进行扩展。利用,以及可以得到下式:
重量描述
质量描述
其中:
:发动机推力,
:推进剂质量流速,即,
:标准重力加速度,精确定义为/。
而也是比冲又被称为比推力的原因。
上面定义的是瞬时比冲,我们还可以对时间积分写出时间平均下的比冲表示:
重量描述
质量描述
其中,表示发动机工作时间。上式中的推力与推进剂质量流速都可以随时间变化而不同。
可以发现,在重量和质量两种描述下,比冲的表示仅仅只是相差一个常数系数。
对于液体发动机,容易测量每时刻的推力以及推进剂流速,从而计算瞬时或平均比冲;但是固体发动机很难计算推进剂流速,因此通常用下式计算平均比冲:
重量描述
质量描述
其中,表示在发动机工作时间内消耗的推进剂质量。
单位与换算根据比冲的定义式,容易写出比冲的量纲。通用的单位有国际单位(米,千克,秒)与美国常用的英制工程单位(英尺,磅,秒)两种。
重量描述
质量描述
量纲
(时间量纲)
(速度量纲)
国际单位
(秒)
(米每秒)
(牛顿/千克・秒)
英制工程单位
(秒)
(英尺每秒)
(磅力/磅・秒)
单位换算如下表所示
国际单位
英制工程单位
重量描述;质量描述
重量描述;质量描述
1;980665或
1;321740
,1
0101972;1或
0101972;328084,0101972
00310810;03048或
00310810;1,00310810
表中同一行中的任意两个值含义相同,例如第二行中第二和第四列。
备注:
1磅精确定义为045359237千克;
1英尺精确等于03048米。
影响因素是衡量火箭发动机特性的重要参数,单位是秒(s)。比冲大小对火箭的射程影响很大,比冲越高,射程越远。要获得高比冲推进剂,要求推进剂具有高的化学能、高的燃烧效率和高的喷管效率,喷管形状直接影响比冲的大小。
比冲量越高,火箭获得的总动力越大,最终的速度越快,典型的固体火箭发动机的比冲量可以达到290秒,液体火箭主发动机的比冲量则是300至453秒,而离子发动机则能获得更大的比冲量。按照上面的定义,用物理学的单位换算,比冲量的单位是米每秒m/s,与速度V单位相同:FT/M=MV/M=V,与上述简化单位相差一个重力加速度g:FT/M=MgT/M=gT。例如比冲量可以达到290秒是指火箭喷出的燃料的速度可以达到290*g=2900m/s。比冲量与火箭喷出的燃料的速度成正比,要提高比冲量,就要想办法提高火箭喷出的燃料速度。比冲量的极限即为燃料喷出速度达到光速,换算成以秒作单位则是3×10^8秒。
发动机比冲量液体火箭发动机的比冲量为2500-4600牛秒/千克;
固体火箭发动机比冲量为2000~3000牛秒/千克;