化學火箭

利用化學火箭發動機推進的火箭稱為化學火箭。

用化學火箭發動機推進的火箭。按所使用推進劑的物理狀態，可分為固體、液體、固液混合推進劑火箭。固體火箭的結構緊湊，使用方便，發射準備時間較短，廣泛用於導彈、火箭彈、助推器及航天飛機等；液體火箭結構較複雜，發射準備時間較長，但比衝高，發動機工作時間長，易於推力調節並能多次啓動，常用作衞星、飛船、航天飛機等空間飛行器的運載火箭；固液混合式火箭，因存在燃燒温度高並且不穩定等問題，目前尚未得到實際應用。化學火箭經歷了漫長的發展歷程，早在11世紀，中國就出現了世界上最早的軍用固體火箭，為人類火箭技術的發展和應用作出了重要貢獻；與固體火箭相比，液體火箭發展較晚，20世紀20年代中期才開始試驗，其推進原理同古代固體火箭一脈相承，作為實際應用則是德國在30年代末研製的V-2液體火箭。戰後50多年來，固體和液體火箭均獲得了迅速發展，已能滿足軍事和各種航天器運載工具的不同需要。

化學火箭發動機理想熱力循環過程滿足以下假設：

(1)工質(或者化學反應產物)是均相的，服從完全氣體定律，在發動機燃燒室內氣體達到化學平衡，氣體成分在噴管內不變。

(2)沒有穿過發動機室壁的傳熱，流動是絕熱的；沒有明顯的摩擦，忽略所有的邊界層效應。

在以上假設的基礎上，液體火箭發動機的理想熱力循環分為的4個過程，如圖1所示。

(1)0-1為推進劑在泵內的壓縮過程，比體積變化很小，近似為定容過程；

(2)1-2為推進劑在燃燒室內的等壓燃燒過程，簡化為定壓加熱過程；

(3)2-3為燃氣在噴管內的絕熱膨脹過程；

(4)3-0為等壓放熱過程，燃氣降壓後被排人大氣，經歷在大氣中向環境的放熱過程，構成一個封閉的循環。 ^[2] 

整個分析通常可分為兩個相對有些獨立的計算過程：

(1)燃燒過程是第一部分。它發生在室壓基本恆定(等壓)的燃燒室中，生成的氣體遵循道爾頓定律。化學反應或燃燒的速率非常高。假定燃燒室容積足夠大、氣體在燃燒室內的停留時間足夠長，燃燒室內達到化學平衡。

(2)噴管氣體膨脹過程構成了計箅的第二部分。經完全反應的、平衡的氣體燃燒產物進入噴管，在噴管內經歷絕熱膨脹。在噴管可逆(等熵)膨脹過程中熵為常數，但在實際噴管流動中熵稍有增加。

化學反應主要發生在液體火箭發動機燃燒室內或固體火箭發動機的藥柱空腔內(通常在燃燒面附近短距離範圍內)。第九章和第十五章將進一步分析這些燃燒室中的燃燒過程。然而，隨着氣體的膨脹，噴管內也會出現一些化學反應，因此噴管內反應產物的組分會發生變化，如本章將敍述的。噴管外的排氣羽流中可能還會發生進一步的化學反應，這將在第十八章敍述。本章敍述的許多熱化學基本分析方法同樣也可應用於排氣羽流。 ^[3] 

儘管推力是遠征火星過程中所需的各種機動的重要參數，但是真正決定成功的卻是排氣速度。排氣速度和所需速度變化的比值，定義了本章前面提到的推進劑倍數，從而確定了所需推進劑的質量。我們過去用於計算基本任務需求的3．24 kin/+S的排氣速度，是以伊斯特發動機的可貯存系統為基礎的。但是如果我們提高這一速度。會出現什麼情況，又有什麼問題呢?以航天飛機主發動機為基礎．採用液氧和液氫推進劑．那麼會極大地減小推進劑倍數。例如．從地球軌道出發的倍數，就可貯存推進劑來説是1．99；但就低温推進劑而言，該倍數減小為1．18。其結果就是整個任務所需推進劑的質量將大幅降低。 ^[4]