物理学基础精解【75】

推进器

液氧推进剂和氧气推进剂

1. 定义与组成

• 液氧推进剂：

  • 定义：液氧推进剂是指使用液态氧气（液氧）作为氧化剂的推进剂组合。
  • 组成：液氧推进剂通常与一种或多种燃料（如液氢、煤油、甲烷等）组合使用，形成完整的推进系统。

• 氧气推进剂：

  • 定义：氧气推进剂通常指的是使用气态氧气作为氧化剂的推进剂系统。
  • 组成：与液氧推进剂不同，氧气推进剂中的氧气处于气态，且可能需要与液态或气态燃料混合使用。

2. 物理状态与贮存条件

• 液氧推进剂：

  • 物理状态：液氧推进剂中的氧气处于液态，需要在极低的温度下（-182.96℃）贮存。
  • 贮存条件：由于液氧的沸点极低，因此需要使用特制的超低温贮存容器，并保持严格的保温措施。

• 氧气推进剂：

  • 物理状态：氧气推进剂中的氧气处于气态，通常在常温常压下贮存。
  • 贮存条件：相对于液氧推进剂，氧气推进剂的贮存条件较为简单，不需要超低温贮存容器。

3. 性能与应用

• 液氧推进剂：

  • 性能：液氧推进剂具有高推力比、高燃烧效率、低排放等优点。由于液氧的密度远大于气态氧气，因此可以提供更高的氧化剂质量流量，从而提高推力。
  • 应用：液氧推进剂广泛应用于航天领域，如液氧液氢发动机、液氧煤油发动机等。这些发动机通常用于大型运载火箭、深空探测器等任务。

• 氧气推进剂：

  • 性能：氧气推进剂的性能取决于所使用的燃料种类和混合比。与液氧推进剂相比，其推力比和燃烧效率可能较低。
  • 应用：氧气推进剂在某些特定领域有应用，如卫星的姿态控制发动机、小型无人机等。这些应用通常对推力和燃烧效率的要求较低。

4. 安全风险

• 液氧推进剂：

  • 安全风险：液氧推进剂由于液氧的极低沸点和高度氧化性，存在较高的安全风险。在贮存、运输和使用过程中需要采取严格的防护措施，以防止爆炸和火灾等事故。

• 氧气推进剂：

  • 安全风险：与液氧推进剂相比，氧气推进剂的安全风险较低。然而，在使用过程中仍需注意防止氧气泄漏和与可燃物质接触引发火灾等事故。

5. 发展趋势

• 液氧推进剂：随着航天技术的不断发展，液氧推进剂在航天领域的应用前景广阔。未来可能会涌现出更多新型液氧推进剂组合和发动机技术。
• 氧气推进剂：虽然氧气推进剂在某些特定领域有应用，但随着液氧推进剂等高性能推进剂的不断发展，其应用范围可能会受到限制。

综上所述，液氧推进剂和氧气推进剂在定义、组成、物理状态、贮存条件、性能与应用以及安全风险等方面存在显著区别。在选择推进剂时，需要根据具体任务需求和发动机设计要求进行综合考虑。

涡轮喷气发动机和冲压发动机

都是航空领域重要的动力装置，它们各自具有独特的工作原理和特点，适用于不同的飞行需求。

涡轮喷气发动机

涡轮喷气发动机是喷气发动机的一种，其工作原理可以简要概括为：空气通过进气道进入发动机，被压气机压缩后送入燃烧室与燃料混合燃烧，产生高温高压的燃气。燃气的爆炸产生大量的推力，推动涡轮旋转。涡轮通过轴与压气机相连，带动压气机继续压缩空气，形成循环。涡轮喷气发动机的主要部件包括压气机、燃烧室、涡轮、喷管等。

涡轮喷气发动机的优点包括结构简单、响应速度快、无附属设备等。它适用于需要快速加速和爬升的飞行器，如战斗机等。然而，涡轮喷气发动机的燃油消耗率相对较高，噪音较大，且推力相对有限，不适用于大型运输机和商用飞机。

冲压发动机

冲压发动机也是喷气发动机的一种，其工作原理是利用高速气流直接进入燃烧室进行燃烧。冲压发动机没有压气机，它利用高速气流对空气进行压缩，同时注入燃料进行燃烧，产生高温高压气体推动叶片转动，从而产生动力。冲压发动机的主要部件包括进气道、燃烧室、推进喷管等。

冲压发动机具有结构简单、成本低、高效能等优点。它适用于高空高速飞行器，如导弹、无人机等。然而，冲压发动机不能自启动，需要初始速度才能工作，因此不适合作为普通飞机的动力装置。此外，冲压发动机对飞行状态敏感，低单位迎风面积推力较低，只适合长时间高速巡航。

总结

涡轮喷气发动机和冲压发动机在航空领域各有其独特的应用场景和优势。涡轮喷气发动机适用于需要快速响应和高机动性的飞行器，而冲压发动机则适用于高空高速巡航的飞行器。在实际应用中，需要根据具体的飞行需求和条件来选择合适的发动机类型。

涡轮喷气发动机和冲压发动机各自具有独特的优缺点

涡轮喷气发动机

优点：

1. 适航范围广：涡轮喷气发动机适用于从低空亚音速到高空超音速的广泛飞行范围，能够满足不同飞行任务的需求。
2. 推力大：在高速飞行时，涡轮喷气发动机能够提供较大的推力，确保飞行器的稳定性和速度。
3. 响应速度快：涡轮喷气发动机的推力响应速度较快，适用于需要快速加速和爬升的飞行器，如战斗机等。

缺点：

1. 燃油消耗率高：相比其他类型的喷气发动机，涡轮喷气发动机的燃油消耗率相对较高，这不利于长途飞行和经济性。
2. 噪音大：涡轮喷气发动机在运行过程中会产生较大的噪音，对环境和飞行员造成一定影响。
3. 推力有限：虽然涡轮喷气发动机在高速飞行时推力较大，但在低速飞行时推力相对较小，且不适用于大型运输机和商用飞机。

冲压发动机

优点：

1. 结构简单、成本低：冲压发动机没有复杂的压气机和涡轮部件，因此结构相对简单，制造成本和维护成本较低。
2. 高效能：在高速飞行时，冲压发动机能够充分利用高速气流进行压缩和燃烧，提供较高的推力和效率。
3. 推重比大：由于冲压发动机没有转动部件，其质量相对较小，因此推重比大，适合用于需要高推力的飞行器。

缺点：

1. 不能自启动：冲压发动机需要初始速度才能工作，因此不能自启动，需要借助其他动力装置（如火箭发动机）进行助推。
2. 对飞行状态敏感：冲压发动机的性能受飞行状态（如飞行攻角）的影响较大，需要精确控制飞行参数以确保稳定工作。
3. 适用范围有限：冲压发动机主要适用于高速飞行任务，如导弹、无人机等，对于低速或亚音速飞行任务则不适用。

涡轮喷气发动机和冲压发动机的详细比较

涡轮喷气发动机

构造

涡轮喷气发动机主要由进气道、压气机、燃烧室、涡轮和尾喷管组成。压气机负责压缩进入的空气，燃烧室将燃油与高压空气混合并燃烧，产生高温高压气体。涡轮则利用这些气体的能量旋转，驱动压气机继续工作。最后，燃烧后的气体通过尾喷管高速排出，产生推力。

性质

涡轮喷气发动机是一种热机，遵循热机的做功原则：在高压下输入能量，低压下释放能量。它具有适航范围广、推力大、响应速度快等特点，但燃油消耗率相对较高，噪音也较大。

物理化学原理

涡轮喷气发动机的物理化学原理基于热力学和流体力学。空气在压气机中被压缩，温度和压力升高，随后在燃烧室中与燃油混合并燃烧，产生高温高压气体。这些气体膨胀并通过涡轮做功，最终排出产生推力。整个过程中涉及能量转换、质量守恒和动量守恒等物理化学原理。

数学公式

涡喷发动机的效率公式为：η = (T₇ - T₀) / (T₃ - T₀)，其中η为涡喷发动机的效率，T₇为涡轮出口温度，T₃为燃烧室出口温度，T₀为空气进口温度。这个公式反映了涡喷发动机效率与关键温度参数之间的关系。

例子

尤莫004B是世界上第一款量产涡喷发动机，它装备在Me 262和Arado Ar 234等战斗机上，标志着喷气时代的发端。该发动机采用了许多创新技术，如空心涡轮叶片和辅助燃油喷射等。

冲压发动机

构造

冲压发动机主要由进气道、燃烧室和推进喷管组成。它没有压气机和涡轮等旋转部件，而是利用高速气流直接进入燃烧室进行燃烧。燃烧后的气体通过推进喷管高速排出，产生推力。

性质

冲压发动机具有结构简单、成本低、高效能等特点。但由于它不能自启动且对飞行状态敏感，因此适用范围有限，主要用于导弹、无人机等高速飞行器。

物理化学原理

冲压发动机的物理化学原理同样基于热力学和流体力学。高速气流直接进入燃烧室与燃油混合并燃烧，产生高温高压气体。这些气体膨胀并通过推进喷管排出，产生推力。整个过程涉及能量转换、质量守恒和动量守恒等物理化学原理。

数学公式

关于冲压发动机的数学公式可能涉及更复杂的流体力学和热力学方程，如伯努利方程、连续性方程和能量方程等。但具体的效率或性能公式可能因发动机类型和设计而异，且通常较为复杂，难以用简单公式表示。

例子

冲压发动机在导弹和无人机等领域有广泛应用。例如，某些型号的空空导弹就采用了冲压发动机作为动力装置，以实现高速飞行和远程打击目标。

化学推进剂和液体推进剂火箭发动机

化学推进剂

定义：

化学推进剂是指在发动机中参加化学反应而释放能量作为能源，以化学反应产物作为工质推动火箭前进的全部组分。化学推进剂由氧化剂和燃烧剂组成，在隔绝空气条件下可自燃或点火燃烧放出大量热能并产生高温、高压气体（工质）。燃气以高速自推进系统排出产生推力。

分类：

根据化学推进剂在使用条件下所呈现的物理状态，可以将其分为液体推进剂、固体推进剂、固液推进剂和凝胶推进剂。其中，液体推进剂的氧化剂和燃烧剂均为液体，固体推进剂则是由氧化剂、燃烧剂及添加剂组成的固体混合物，固液推进剂则结合了液体和固体推进剂的特点。

应用：

化学推进剂是火箭发动机的动力源，广泛应用于各种火箭、导弹和航天器中。其研究与发展对宇航事业的发展及导弹武器装备的研制、生产和使用起着重要的促进作用。

液体推进剂火箭发动机

定义与组成：

液体推进剂火箭发动机是使用液体推进剂作为能源和工质的化学火箭发动机。它一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统等部分组成。推力室是将液体推进剂的化学能转变成推进力的重要组件，推进剂通过喷注器注入燃烧室，经雾化、蒸发、混合和燃烧等过程生成燃烧产物，从喷管中高速喷出以产生推力。

工作原理：

液体推进剂火箭发动机工作时，推进剂和燃料分别从储箱中被挤出，经由推进剂输送管道进入推力室。推进剂通过推力室头部喷注器混合雾化，形成细小液滴，被燃烧室中的火焰加热气化并剧烈燃烧，在燃烧室中变成高温高压燃气。燃气经过喷管被加速成超声速气流向后喷出，产生作用在发动机上的推力，推动火箭前进。

分类：

液体推进剂火箭发动机可以按多种方式进行分类。例如，按使用的推进剂组元的数量可分为单组元、双组元和三组元动力装置；按推进剂组元供应系统的类型可分为挤压式供应系统和泵压式供应系统；按液体火箭发动机所含推力室数目可分为单推力室和多推力室动力装置；按工况的特点可分为连续式动力装置和脉冲式动力装置等。

优点与应用：

液体推进剂火箭发动机具有比冲高、推力范围大、能反复启动等优点，主要用于航天器发射、姿态修正与控制、轨道转移等。例如，在航天领域，液体推进剂火箭发动机被广泛用于运载火箭、卫星发射器等重要航天器上。

综上所述，化学推进剂特别是液体推进剂火箭发动机在航天领域发挥着举足轻重的作用。它们通过化学反应释放能量并产生推力，推动火箭前进，实现了人类对太空的探索和利用。

液体双组元推进剂和单组元推进剂

是液体火箭发动机中常用的两种推进剂类型，它们在组成、工作原理、性能特点及应用方面存在显著差异。

液体双组元推进剂

定义与组成：

液体双组元推进剂是由分别贮存的液体燃料和液体氧化剂两组元组合的推进剂。燃料和氧化剂在进入燃烧室之前是分开的，按比例分别进入燃烧室后相互混合并燃烧，产生高温高压气体，通过喷管排出产生推力。

常见燃料与氧化剂：

• 燃料：煤油、肼类（如偏二甲肼）、胺类、液氢等。
• 氧化剂：发烟硝酸、四氧化二氮、液氧等。

工作原理：

液体双组元推进剂在工作时，燃料和氧化剂通过各自的输送系统进入燃烧室，在燃烧室内混合并燃烧，产生高温高压气体。这些气体通过喷管加速排出，产生推力。

性能特点：

• 能量密度高：由于燃料和氧化剂分开贮存，可以根据需要选择最优组合，实现高能量密度。
• 推力可调：通过调节燃料和氧化剂的流量比，可以实现推力的灵活调节。
• 安全性好：燃料和氧化剂分开贮存，降低了意外混合导致爆炸的风险。

应用：

液体双组元推进剂已广泛应用于宇宙飞船、航天飞机及远程导弹等发动机中，还可用于姿态控制发动机。

单组元液体推进剂

定义与组成：

单组元液体推进剂是指通过自身分解或自身燃烧提供能量和工质的液体推进剂。它在贮存环境下是安定的，但在有热源或催化剂存在时，会释放出大量的热和气体。

常见类型：

• 含有可燃元素和氧的化合物：如硝基甲烷。
• 常温下互不发生化学反应的混介物：如过氧化氢-甲醇。
• 分解时能放出大量热和气体的吸热化合物：如肼。

工作原理：

单组元液体推进剂在工作时，通过催化剂或热源的作用，自身分解或燃烧，产生高温高压气体。这些气体通过喷管加速排出，产生推力。

性能特点：

• 系统简单：由于只使用一种推进剂，系统结构相对简单，便于控制和维护。
• 推力较小：与双组元推进剂相比，单组元推进剂的推力通常较小，适用于辅助推进系统。
• 安全性需关注：某些单组元推进剂在贮存和使用过程中存在一定的安全风险，需要特别注意。

应用：

单组元液体推进剂虽然能量较低，但推进系统简单，便于控制，因此广泛用于姿态控制和轨道控制发动机，也可用于燃气发生器。

总结

液体双组元推进剂和单组元推进剂各有其优缺点和适用场景。双组元推进剂具有高能量密度、推力可调、安全性好等优点，适用于需要大推力和长航时的航天任务；而单组元推进剂则具有系统简单、便于控制等特点，适用于辅助推进系统和姿态控制等任务。在选择推进剂时，需要根据具体任务需求和发动机设计要求进行综合考虑。

液氧推进剂

是一种将液态氧气作为氧化剂的推进剂，它含有高纯度的液氧和燃料。以下是关于液氧推进剂的详细介绍：

组成与特性

• 主要成分：液氧推进剂的主要成分是液态氧气，它含有大量氧分子，是一种常见的液态氧化剂。
• 燃料选择：液氧推进剂中的燃料可以是各种类型的可燃气体，如甲烷、乙烷、丙烷、氢气等。这些燃料与液氧混合后能够产生高能量的燃烧反应。
• 物理特性：液氧具有无色、无臭、无味的特性，其密度为1.14 g/cm³，沸点为-182.96℃。由于液氧的沸点极低，它易于液态贮存、运输和供应。

性能与应用

• 高推力比：液氧推进剂的氧化性能好，能够与大量的燃料混合燃烧，提供高推力比，使火箭具有更大的推力。
• 高燃烧效率：液氧推进剂能够提供充足的氧气，使燃料更加充分燃烧，提高燃烧效率。
• 低排放：液氧推进剂的燃烧产物主要为水蒸气和二氧化碳，相对于传统燃烧剂，其排放物较少，对环境污染较小。
• 广泛应用：液氧推进剂在航天领域中被广泛使用，如液氧液氢发动机、液氧煤油发动机等。这些发动机具有较高的比冲和效率，可以提供较大的推力，并且具有较长的的工作时间。此外，液氧推进剂还用于卫星发射、载人航天、深空探索等任务。

安全风险与注意事项

• 高度氧化性：液氧具有高度氧化性，与可燃物质直接接触可能引起燃烧爆炸。因此，在贮存、运输和使用过程中需要严密监控，确保与可燃物质的隔离以减少火灾或爆炸的风险。
• 低温冻伤：液氧在液态时温度极低，与人体暴露接触可能导致严重的冻伤。在操作液氧推进剂时，必须严格遵循个人防护措施，包括低温手套、防护服等，并确保操作区域有足够的通风。
• 储存时间有限：液氧具有高度的活性，容易自行分解。因此，在使用液氧推进剂时，必须确保推进剂的新鲜度，并定期检查存储容器。

实例

液氧推进剂在实际应用中取得了显著成果。例如，SpaceX的猎鹰重型火箭和土星五号火箭都使用了液氧发动机作为推进系统。此外，液氧甲烷推进剂作为一种新型推进剂组合，也受到了广泛关注和研究。我国首款大推力液氧甲烷发动机通过飞行验证，标志着我国在新型低成本液体推进剂应用方面取得突破。

综上所述，液氧推进剂以其高推力比、高燃烧效率、低排放和易于贮存等特性在航天领域发挥着重要作用。然而，在使用过程中也需要注意其安全风险并采取相应的防护措施。

参考文献

1. 文心一言