任何一枚火箭的核心,都是火箭发动机。这一个道理,能应用到几乎每一种运载工具上,但相对汽车轮船发动机,火箭发动机的应用难度显然更大。
1.推力足够大。一枚火箭动辄数百吨乃至数千吨,发动机的推力至少也要把火箭推起来,为了产生足够加速度则需要推力更大。
例如,航天飞机总重达2030吨,它主要是依靠两枚强大的固体助推器提供推力,单枚固体助推器的推力达到惊人的1250吨,一枚就足以把中国现役最强的长征五号(800多吨)推动。
而人类史上最强登月火箭土星五号火箭一级总推力超过了3500吨,苏联的重型火箭能源号推力甚至达到了4000吨级别!
2.爆发力够强。火箭一旦起飞,就需要受到巨大重力和空气阻力的影响,消耗巨量的燃料和能量,但最终要达到7.9千米/秒的第一宇宙速度才可能环绕地球运动,从性价比方面就要求火箭尽可能快进入地球轨道。
对于一般的近地轨道(入轨轨道200千米高)发射任务,火箭需要在约10分钟左右就完成发射任务。再次使用航天飞机助推器的例子,这枚重达590吨的助推器仅需127秒便会燃烧殆尽,此时它已经将航天飞机推到了45千米高,帮助航天飞机逃离最大挑战、也最大威胁的大气稠密区域。
对于土星五号,它的第一级总重约2290吨,大约2160吨为燃料,发动机上班时间标准流程仅为165秒。这在某种程度上预示着土星五号一级平均每一秒燃烧了13.1吨燃料。汽油和煤油能量和热值比较接近,以一辆百公里油耗为10升的小汽车为例。火箭1秒钟消耗的能量足够让一辆小汽车行驶17.95万公里,大概够绕地球赤道4圈半。
是的,你没有看错,就是你家汽车开这么远耗的油人家一秒就喷光了。那么土星五号第一级在两分多钟内消耗的燃料够你家小汽车开个740圈赤道的。
3.质量够轻。目前人类的火箭受限于化学燃料,最终运输效率实际上并不高,有效载荷比仅为1-5%不等,这就从另一方面代表着燃料之外的结构、发动机质量必须尽量小。例如土星五号火箭重达3000吨、仅能运45吨到月球、效率1.5%。发动机的质量毫无疑问是个至关重要的因素,如果它太重势必影响总体效率。
巨大的F-1发动机和土星五号总设计师冯布劳恩合影,这么巨大的“暴力”机器实际上“并不重”
土星五号一级使用了5台洛克达因的F-1液氧煤油燃料发动机。其中,全部壳体、燃料箱结构与发动机等质量仅为130吨,而F-1发动机本身单发仅重8.4吨!这与它粗放的外表和撼天动地的能力相比简直微不足道。
4.材料够强。火箭发动机上面对接燃料,下面排出燃气,燃料温度极低、燃气温度却极高。例如,液氧液氢燃料温度在零下180-250摄氏度左右,但它们燃烧后燃气温度高达数千摄氏度。火箭发动机,要同时经受极冷和极热的考验。
5.强度够大。一枚大型火箭发动机,每秒钟烧掉的燃料要以吨计,这在某种程度上预示着非常强力的泵在极低温下快速循环。燃气排出时速度高达数千米/秒,带来强力震动、噪声和高压,严重挑战结构强度。
俄罗斯王牌联盟火箭的完美整体设计,使得如此复杂的结构并不影响它成为人类史上最成功的火箭家族
6.整体设计复杂。火箭发动机有推力室、喷注器、燃烧室、喷管、泵循环、控制管理系统、冷却隔热装置、等诸多结构,任一环节都对性能有不一样要求,但它们有个共同的特点:不能出任何问题。
RS-25发动机管线.控制要精细。尽管火箭已经是超级钢铁巨兽,释放出巨大的力量,它却要完成很精细的“穿针引线”工作,程序转弯、姿态控制、变轨入轨都操作精度要求都很高,最终实现航天器的精确入轨。
8.稳定性要高。火箭动辄造价数亿、乃至几十亿一枚,加上所携带的昂贵航天器,一旦失败必定损失惨重。而火箭一般设计成多级、每级又可能携带多枚发动机、所用燃料也不完全一样,这在某种程度上预示着任何一枚发动机都不能出问题。