爱华网星际航行概论之大推力运载火箭-----钱学森 中国大推力运载火箭
液体运载火箭采用液体燃料发动机，选择什么样的液体推进剂，是一门很大的学问：推进剂的比冲要足够大（单位重量燃料燃烧产生的冲量），这样才能提高燃料的喷气速度，使火箭达到更高的性能。但是光比冲大还不行，液体燃料还必须有比较高的热稳定性，燃烧稳定性，化学稳定性的“三稳”特性，较宽的液态温度范围，较低的粘度。此外还有几个因素需要重点考虑：1.毒性。有毒的燃料会对实验室，制造厂和现场发射人员的身体健康造成损害，而且易产生环境污染。2.腐蚀性。如果采用了高腐蚀性的推进剂，那么运载火箭的推进剂储箱就必须采用昂贵的耐腐蚀合金制造，这样就推高了火箭的成本，而且有腐蚀性的推进剂还会腐蚀离心泵轴承，管路，阀门，喷嘴等部件，使之产生变形，影响运载火箭发动机的正常运行和控制特性。3.经济性，火箭的推进剂一种大量消耗的产品，必须可以保证大批量高效率的工业生产，同时还得有低廉的价格。
最早的液体火箭（纳粹德国的V-2）是采用液氧作为氧化剂，无水酒精作为燃料的推进剂。经过多年的试验，人类已经探索出了很多种推进剂的组合：煤油/双氧水，联氨/四氧化二氮，偏二甲肼/四氧化二氮，液氢/液氧，煤油/液氧等。目前国际主流的大推力液体火箭发动机都采用了煤油/液氧推进剂（RP-1/LOX）。我们新一代的“长征五号”运载火箭也将采用国产大推力液氧煤油发动机作为动力装置。和上一代的偏二甲肼/四氧化二氮（UDMH/N2O4）推进剂相比，煤油/液氧（RP-1/LOX）组合虽然价格更高（航天使用的煤油必须经过特殊的精炼，所以价格会非常高），但是却安全，无毒，比冲也更高。所以更适合作为未来大推力火箭的推进剂。
液体火箭的优点非常明显：比冲大，推力大，价格低廉，控制手段多样而且方便，理论成熟，技术可靠。非常适合作为大推力运载火箭使用，所以液体运载火箭也是目前国际上主流的使用的一类型号。常见的火箭大部分都是液体推进剂的。
和液体火箭不同，有一类火箭使用固体推进剂，故名固体火箭。事实上，相比1926年才诞生的液体火箭，固体火箭的历史更加悠久，但现在它的地位已经越来越重要了。固体火箭的推进剂是固体，一般采用过氯酸铵/聚丁二烯/铝粉组合，过氯酸铵/聚胺基甲酸酯/铝粉，浇铸双基推进剂，挤压双基推进剂等。事实上固体火箭的发展，是随着化学工业的发展而进步的，现代化学工业足以为其提供越来越先进的推进剂。
由于固体火箭不需要考虑推进剂输送问题，所以设计火箭发动机的工作就简化了很多，不再需要设计复杂的管路，阀门，流量仪表，涡轮泵，挤压钢瓶等设备，极大的减轻了火箭的结构重量。而火箭发动机也可以做的小一些，简单一些，提高了可靠性。但是固体火箭有一个致命的弱点就是控制很困难，需要将固体推进剂设计成适当的药柱形状（药柱通常是被浇铸在燃烧室内，然后采用内孔燃烧以控制其燃烧过程），并且控制药柱的燃烧过程。而且固体火箭发动机一旦点燃也很难再关机或者重新点火，而必须要一次性的将其烧完。
由于固体推进剂的成本更高（比液体推进剂高很多倍），加上控制困难，推力也一般较小（因为固体燃料比冲低），所以价格往往很昂贵，但是固体火箭有一大好处就是火箭发射前可以省略加注推进剂这一极其耗时而且非常麻烦而危险的工作（因为推进剂事先已经被浇铸到燃烧室内壁了），所以发射工序简化，发射效率和安全性也极大的提高。所以一般而言，固体推进剂多是用在远程弹道导弹这类对快速反应性要求很高的场合，对于重视成本控制的商业发射来说，固体火箭应用很少。一般是用来做助推器，比如美国的航天飞机，俄罗斯的“质子”号火箭，欧洲的“阿丽亚娜-5”等运载火箭都有固体助推器。
运载火箭要想把卫星送上太空必须达到第一宇宙速度（约为7.9km/s）。但是火箭的速度却是一个只跟前后质量比有关的量：V=c×ln(M1/M2),其中V为火箭所能达到的最高速度，c为有效喷气速度，M1表示发射前火箭的质量。M2表示推进剂消耗光之后的火箭质量。从这个公式我们可以看出，火箭要想飞得快，就必须采用两种方法，一是增大喷气速度，二是增大推进剂占据火箭总重量的比例。换句话说就是尽可能的减少火箭结构本身的重量。
但是我们很悲哀的发现这两条路都走不通，提高喷气速度，需要比冲更高的推进剂，这个现有的推进剂性能几乎都已经到了极限，无法达到要求，换句话说，就算我们找到了比现有的材料喷气速度高2---3倍的新型推进剂，那么它又会带来新的问题如火箭的耐热和结构强度等；增大推进剂占据火箭总重量的比例，这样的话又受到了材料强度的限制，这样的火箭必然得薄得像鸡蛋壳一样毫无强度和刚度可言，恐怕稍有外力就会碎成一地碎片，更别说还需要承载那么多的沉重的燃料，载荷和控制仪器了。以现有的技术水平制造的单级火箭，那么它很难达到第一宇宙速度。
好在火箭科研人员没有这么悲观，他们提出的方案是多级火箭，即将火箭设计为多级式，每一级都有独立的推进剂箱，发动机，控制和仪器单元，是一个独立的整体，各级之间依靠级间结构（通常是桁架和爆炸螺栓）连接起来。火箭发射时，只点燃第一级火箭，这样整个火箭就会如同一列火车那样被带动着飞上天。当第一级火箭推进剂耗尽的时候，级间机构分离，抛掉第一级火箭，然后第二级火箭在空中点火，推进剂耗尽后，再抛弃第二级，点燃第三级，以此类推……由于每一次下一级火箭的点火是在前一级火箭的速度基础上继续加速的，就跟接力赛一样，所以火箭的速度会越来越快（当然，你也可以理解为火箭不断在抛弃多余的结构重量以提高M1/M2值）。这样的运载火箭才有可能达到第一宇宙速度，完成将航天器送入轨道的任务。
多级火箭有两种连接方式：串联和并联。串联的火箭占地小，发射装置简单，飞行阻力也小，但是长细比过大，很容易失稳，而且刚性较差。并联的火箭虽然刚性好，推力大，但是飞行阻力过大，发射装置复杂。所以实践中，尤其是大推力的运载火箭很少采用简单的串联或者并联，而一般是主火箭采用串联布置多级，而旁边以并联的方式布置助推器，这样可以综合它们的优点，实现最优设计。
运载火箭的结构非常复杂，但是仔细划分一下其实也很容易看出来，从系统工程的角度来描述，运载火箭由载荷，箭体结构，动力系统，控制系统，遥测系统，外测安全系统，级间分离系统和辅助系统组成。
上图是我国自行设计制作的“长征三号甲”运载火箭的结构示意图。这是一种非常典型的串联式多级火箭，分为三级。
火箭的第一级是一个圆筒状壳体模块，内部由一级氧化剂箱，箱间段，一级燃料箱，一级发动机舱组成。内部有推进剂输送系统，推进剂为偏二甲肼/四氧化二氮（UDMH/N2O4）。第一级上装有四台摆动式YF-21B火箭发动机，可以通过伺服机构带动沿着切向摆动，从而调整推力的方向。一级火箭的上方是通过级间机构（杆系）联接起来的第二级火箭，内部同样有燃料箱和氧化剂箱。同样为偏二甲肼/四氧化二氮推进剂，但是发动机舱的布置与第一级不同，中部是一台固定式喷口的主发动机，周边装了四台推力为4.8吨的游动发动机（简称游机），这些游机的喷口可以通过伺服装置操纵转向来控制火箭在空间的姿态。最上方为第三级，燃料为液氢/液氧（LH2/LOX），使用具有再点火能力的YF-73发动机。
第三级的顶端是仪器舱，因为这个地方是全箭振动最小的地方，精密的控制设备和测量仪器在这里比较不容易损坏，也容易获得较好的数据。这里安装有火箭制导装置（惯性平台-计算机方案），姿态控制系统（平台-速率陀螺网络）和相关设备，是整个火箭系统的中枢神经。最上方为卫星平台，上面用于安装固定卫星或其它有效载荷，卫星平台被整流罩包裹。
运载火箭上最核心的零部件当然是发动机，它是火箭系统的心脏。而液体火箭发动机的结构非常复杂（当然，它比飞机上的涡轮风扇发动机简单多了）。主要由推进剂输送系统，冷却系统，燃烧室，喷管，控制装置等部分组成。
要把推进剂从推进剂箱内抽出，送入燃烧室按照比例混合燃烧，就需要推进剂输送系统了。这也是液体火箭发动机的关键部分，它可以直接决定火箭发动机的性能。一般来讲，火箭推进剂的输送主要有两种方式：压力输送和泵式输送。
压力输送的结构很简单。在火箭上安装一组高压气瓶，内部填充高压氦气，通过气压的作用把燃料和推进剂挤出来，使之进入燃烧室混合。由于高压气瓶都是合金钢制造的，重量很重，而且随着放气的过程气压不均匀，无法准确控制输送压力，所以它一般只用在一些小型火箭上，大火箭携带一大堆沉重的气瓶很不现实。
60年代，美国人曾经提出过一类疯狂的想法：运载火箭发射升空，第一级分离之后，利用高压钢瓶里的残余气体吹起一个巨大无比的气球，带着火箭缓缓下降，从而将其回收重复使用。这种方法目前没有人验证过，但是有这方面的理论研究，所以压力输送法应该是还没有被淘汰的。
另一种就是诞生自德国的V-2火箭，至今仍是液体运载火箭最主要的燃料输送方法了：泵式输送。通常火箭上的泵可以有很多种，齿轮泵，叶轮泵都可以，不过对于大推力的运载火箭而言，只有一个选择：涡轮泵。
涡轮泵是推进剂输送系统的动力源，也是整个液体火箭发动机的核心部件。涡轮泵包括单级/多级涡轮，齿轮箱，离心泵以及控制和辅助装置。涡轮一般有蒸汽涡轮和燃气涡轮两种，现代运载火箭一般采用燃气涡轮。在涡轮通过火药启动提供初始转矩之后，燃烧室内的高温燃气被引流进入一个贫氧燃烧室降温，然后送入涡轮机匣内驱动涡轮旋转，随后涡轮再通过齿轮减速机带动离心泵将推进剂不断的泵入燃烧室燃烧推动火箭前进。火箭的喷管一般采用扩张型拉伐尔喷管以适应超音速飞行的需要，因为我们都知道，超音速流在扩张管内膨胀才会得到加速。喷管外往往有冷却装置，而冷却的流体往往就是推进剂，这样既保护了高温下工作的喷管，又预热了推进剂，可谓一举两得。 美国人曾经设计过一种以液氢为燃料的运载火箭，使用液氢在预热后膨胀的动能来驱动涡轮以带动涡轮泵组，这样的话可以节省了沉重的燃气发生装置，极大减轻了运载火箭的结构重量，可谓构思巧妙。
设计液体火箭的发动机并不是一件简单的事情，需要提供成熟的燃烧理论和热力学理论进行详细设计，期间需要使用大量经验积累的数据，构建合理的数学模型，使用先进的数值运算方法，最后给出详细设计，然后还需要强大的机械加工能力生产涡轮泵，冷却管路等精密的装置，此外还需要配套建立先进的发动机试车台用于检测发动机性能。而搞这些都非举国之力所不可为也。火箭发动机不但为火箭提供了上天的动力，而且还是火箭控制系统的执行元件，需要为火箭的航向和姿态调整提供控制力矩输入。所以发动机的控制也就是另一个需要解决的问题。最早的火箭发动机是依靠燃气舵的，即在火箭喷射出的尾流中放置可以以一定角度倾斜的舵片，通过调整其角度来改变火箭飞行方向和姿态。但是这种方法会造成很大的推力损失所以现代运载火箭已经普遍采用摆动发动机代替了。
摆动发动机的机架被固定在一个位于燃料箱底部的摆动式发动机安装台架上，这个台架可以被伺服装置驱动整体摆动以调整喷口喷射燃气的方向，通过调整喷射的角度来为火箭提供控制力矩。摆动发动机有整体摆动方案，即整台主发动机整体摆动，从而提供不同方向的推力。这种一般用于大型运载火箭的第一级发动机。也有主机-游机方案，即使用固定式的主发动机喷口，然后在其周围布置一圈可以沿着火箭直径的切向摆动的游动发动机（简称游机）。这些游机的推力很小，主要用于提供控制力矩，并不提供推力。它可以提供极其精确的姿态控制。
今天的我们是幸运的，我们出身在和平年代，我们都过着有尊严的生活，看到的是一个蒸蒸日上，逐渐发展壮大的新中国。
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