吸氣式火箭

吸氣式火箭是由美國國家航空和航天局(NASA)研發的一種無需攜帶氧化劑的新型火箭發動機新型吸氣式發動機,能從空氣中吸取氧氣來支持燃料的燃燒。

基本介紹

• 中文名：吸氣式火箭
• 外文名：air-breathing rocket
• 定義：極超音速複合循環發動機
• 原理：經過嚴格篩選的過氧化物推進劑
• 作用：大大降低所需的成本了。

簡介

該發動機是世界上第一個基於火箭的極超音速複合循環發動機，由碳氫化合物和經過嚴格篩選的過氧化物推進劑添加燃料並進行冷卻。吸氣式發動機在使用時通過經特殊設計的火箭上的吸氣管獲取初始推進動力，同常規火箭相比，可提高15%的性能。一旦火箭加速到2倍音速以上，常規火箭發動機被關閉，發動機僅依靠大氣層中的氧氣來燃燒其氫燃料。當火箭加速到10倍音速以上時，發動機轉為常規火箭推進系統，將太空飛行器送入軌道。

吸氣式火箭動力宇宙飛船可能是普通人進入太空的希望所在。 吸氣式發動機在使用時通過經特殊設計的火箭上的吸氣管獲取初始推進動力，同常規火箭相比，可提高15%的性能。一旦火箭加速到2倍音速以上，常規火箭發動機被關閉，發動機僅依靠大氣層中的氧氣來燃燒其氫燃料。當火箭加速到10倍音速以上時，發動機轉為常規火箭推進系統，將太空飛行器送入軌道。

發動機

吸氣式火箭發動機又稱火箭基組合循環發動機，這種發動機和噴氣發動機非常類似。在噴氣發動機中，首先由壓縮機吸入空氣。然後發動機對其進行壓縮，並將其與燃料混合燃燒。燃燒後產生急劇膨脹的氣體，從而提供助推力。噴氣發動機的最大飛行速度只有3到4馬赫，如果速度更高，則發動機部件將會過熱。在超音速衝壓式噴氣發動機中，空氣由進氣口進入發動機。空氣將在飛行器加速穿過大氣層的過程中減速並被壓縮。形成的超音速氣流再與燃料混合併燃燒。吸氣式火箭發動機最有可能使用的燃料是液氫或烴類燃料。

基本構造

吸氣式引擎的基本構造就是在飛行器的前端留有一入口用於呼吸空氣。至於下一步如何運作，這將依賴於具體的設計方案。噴氣引擎就是一種普通的引擎，它是利用引擎幾何學來使得空氣減速。但是，噴氣引擎的不足之處在於它只適用於相對較低的速度。而在高超音速條件下，也就是相當於5倍的音速(即5馬赫的速度)條件下，被減速的空氣溫度太高，無法用於燃料的燃燒。解決這一問題，流行的做法就是使用超音速衝壓噴射裝置。這種裝置不會讓空氣減速太多，相反卻可以迅速地將高速流動的空氣與燃料相混合從而產生推進力。但是，超音速衝壓噴射裝置也只適用於5馬赫的速度。這意味著，必須要有另外其他的系統來推動飛機達到高超音速。

與傳統火箭發動機區別

在傳統的火箭發動機中，液體氧化劑和燃料被同時灌入燃燒室里進行燃燒，從而產生高壓、高速的熱氣流。這些氣流流經一個噴嘴，速度得到進一步提升（噴射速度通常在8,000到16,000公里/小時），然後噴出發動機。這一過程為宇宙飛船提供了助推力。 NASA相信，如果能卸掉液態氧化劑，就很容易降低太空梭的發射重量，因為這樣做可以使太空梭重量立刻降到約141萬公斤。雖然減重後的太空梭仍然很重，但已經可以大大降低將太空梭發射至軌道所需的成本了。

吸氣式發動機從大氣層中吸取空氣，而不是使用液體氧化劑。吸入的空氣與燃料混合後，燃燒並產生助推力。吸氣式火箭發動機又稱火箭基組合循環發動機，這種發動機和噴氣發動機非常類似。在噴氣發動機中，首先由壓縮機吸入空氣。然後，發動機對其進行壓縮，並將其與燃料混合燃燒。燃燒後產生急劇膨脹的氣體，從而提供助推力。噴氣發動機的最大飛行速度只有3到4馬赫，如果速度更高，則發動機部件將會過熱。在超音速衝壓式噴氣發動機中，空氣由進氣口進入發動機。空氣將在飛行器加速穿過大氣層的過程中減速並被壓縮。形成的超音速氣流再與燃料混合併燃燒。吸氣式火箭發動機最有可能使用的燃料是液氫或烴類燃料。

存在問題及解決辦法

吸氣式火箭的效率雖高，但還無法提供飛船起飛所需的助推力。針對這個問題，目前有兩個可供考慮的選擇：NASA可以使用渦輪噴氣發動機或吸氣增強式火箭（air-augmented rocket）來執行發射任務。吸氣增強式火箭就像一台常規火箭發動機，只是當飛行速度超過一定值（大約在2馬赫到3馬赫之間）時，它能夠使燃料與大氣層中的空氣發生進一步氧化，並且速度可以達到10馬赫，然後，它又重新變為常規火箭。吸氣增強式火箭安放在進氣管道中，其性能可比常規火箭高15%。另外，NASA正在制訂利用磁懸浮軌來發射吸氣式火箭的計畫。藉助於磁懸浮軌道，飛行器將在升空前獲得最高960公里/小時的速度。

當飛行器升空並且速度達到聲速的兩倍以後，吸氣增強式火箭將停止工作。此時，助推力將由吸氣式火箭提供。該火箭將在大約一半航程中吸入氧氣來燃燒燃料。這樣做的好處是：宇宙飛船不必攜帶像傳統宇宙飛船那么多的氧氣，從而降低發射成本。當宇宙飛船的速度達到聲速的10倍以後，它將重新變為由常規火箭推進的系統，直至進入預定軌道。因為這樣做減輕了氧化劑的重量，所以這種宇宙飛船將比目前的宇宙飛船更容易操縱。這意味著，乘坐由吸氣式火箭推進的飛行器旅行將變得更加安全。總有一天，普通人將可以乘坐這樣的飛行器進行太空旅行。

馬歇爾空間飛行中心和位於克利夫蘭的NASA Glenn Research Cente計畫在2005年以前，獨立設計一台輕型吸氣式火箭發動機以進行飛行示範。該項目將驗證是否能夠製造足夠輕的吸氣式火箭發動機，以供運載火箭使用。

套用舉例

1984年，英國航天部門提出了HOTOL水平起飛的單級入軌可重複使用運載器方案。該方案採用一種新型的吸氣式火箭發動機，它通過燃燒壓縮的空氣而不是液氧，能夠達到馬赫數為5的飛行速度。英國航天局(BAe)和歐空局在帶翼體運載器外形研究計畫中對HOTOL方案進行了較為深入的研究。20世紀90年代初，該方案最終被過渡型HOTOL方案替代——這個方案由英國和俄羅斯聯合提出，它用俄羅斯的RD-0120發動機代替了吸氣式火箭發動機(吸氣式火箭發動機存在技術風險)。這種飛行器將從俄羅斯的An一225飛機上馱附發射。Alan Bond曾是HOTOL方案吸氣式推進系統的提出者，後來他將HOTOL方案進一步發展為SKYLON方案。他的公司Reaction Engines Ltd，現在正在將這種新的飛行器重新設計為一種可重複使用運載器，該公司是私營的。

發展

目前，最先進的超高音速吸氣式引擎體型很小，很適合作為火箭推進系統。歷史上，飛行最快、體型最長的吸氣式模式超高音速飛機是美國宇航局的X-43。X-43超高音速飛機大約長為5米，在2004年分別以7馬赫和10馬赫的速度試飛過兩次，每次大約持續時間為10秒鐘。2009年下半年，這一記錄將可能發生變化。美國空軍計畫試飛X-51。採用B-52轟炸機將其送到15千米高空。預計飛行速度將達6馬赫，持續時間大約4到5分鐘。美國宇航局的技術專家相信，如果卸掉火箭的液態氧化劑，就能很地容易降低太空梭的發射重量，因為這樣做可以使太空梭重量立刻降到約141萬公斤。雖然減重後的太空梭仍然很重，但已經可以大大降低將太空梭發射至軌道所需的成本了。