頭頂燕飛過
洲際導彈使用火箭發動機,而戰鬥機使用的是噴氣發動機,這兩種發動機從原理上來說根本不同,其標誌性的區別就是:
火箭發動機:氧化劑全部都是自帶的;
噴氣發動機:氧化劑來源於大氣中的氧氣。
先來分析火箭發動機:
火箭發動機需要同時攜帶推進劑和氧化劑,推進劑佔導彈起飛重量的90~95%。其中的固體燃料發動機使用的固體燃料,混合了推進劑和氧化劑,其中氧化劑成分通常佔60~75%。而液體燃料發動機一般有兩個或兩個以上的燃料罐,分別裝推進劑和氧化劑。
火箭發動機不需要吸入空氣作為氧化劑,因此結構相對簡單,沒有進氣口,噴氣速度非常高,發動機工作時間短(幾十分鐘),而且是一次性使用,推力不可調。
使用火箭發動機的導彈,不僅能在空氣中飛行,也可以進入太空,甚至在水中飛行(推進)。
再來分析噴氣發動機:
噴氣發動機只攜帶推進劑,依靠空氣作為氧化劑(助燃劑)。為了確保推進劑正常燃燒做功,需要吸入外界的空氣(氧氣)。燃油裝載量(內油)約佔正常起飛重量的30%。
解決發動機進氣問題,是噴氣式動力的關鍵。實際上噴氣式動力的很大一部分設計都是為了解決高效、穩定進氣的問題。同時,噴氣式發動機需要在戰鬥機飛行全過程提供動力,持續工作可靠性要求極高,因此發動機的結構更加複雜。
噴氣式發動機需要空氣作為燃燒劑,因此噴氣式戰鬥機只能在大氣層內飛行(一般升限20000米內)。但推力可以調節。
瞭解了兩種發動機的區別,再來分析下面一組數據:
俄羅斯最新型的RS-28“薩爾馬特“陸基洲際導彈,採用液體燃料,總重達到100噸,彈頭重約10噸,射程超過1.1萬公里。推進劑約佔導彈起飛重量的90%。
美軍F-35A,正常起飛重量21約噸,內油8.3噸,內油約佔起飛重量的40%,航程2200公里。內置彈倉載彈1400公斤,外掛載重6000公斤。
可見,洲際導彈依靠結構相對簡單的火箭發動機、高比衝燃料、大氣層外彈道,實現的性能是:速度極快、射程很遠,但是負載能力較小。
戰鬥機依靠複雜的噴氣發動機、航空燃油、常規氣動飛行,實現的性能是:速度較慢、航程較遠,但是負載能力較大。
如果戰鬥機換成了火箭式動力,戰鬥機簡化了發動機和進氣系統,但火箭式動力系統中的燃料(尤其是氧化劑)大大增加了戰鬥機重量,整個戰鬥機系統可以參照挑戰者號航天飛機想像一下。此時,可以分為以下兩種狀況:
一是仍然在大氣層內飛行。戰鬥機速度很快,但阻力也伴隨著快速增加,使其難以突破3M;發動機燃料快速消耗,只能維持數十分鐘動力,可能剛剛到達目標地域,燃料就消耗殆盡,那麼飛行員咋麼辦?同時,戰鬥機只能攜載較少的武器,打擊威力大大減弱。
這就是一枚普通的大型飛航式導彈。
二是進入大氣層外飛行。戰鬥機進入太空飛行後,拋棄那個龐大的主火箭發動機,並最終依靠較小的火箭動力機動飛行完成任務,並返回大氣層。
這已經與航天飛機沒什麼兩樣了。
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因為有一種東西叫做“效率”。飛機要用什麼樣的發動機不是單純比較航程和速度。
第一個,飛機發動機的工作效率比火箭高得多。
所謂的工作效率,就是一樣的燃料,誰帶的東西更多、飛的更遠。
洲際導彈只要看一下下面這張圖裡洲際導彈的結構就知道了,洲際導彈大部分結構都是各種發動機和燃料,只有最頂端的戰鬥部算是有“戰鬥力”的。比如說,俄羅斯的SS-N-30圓錘洲際導彈,長12.1米,直徑2米,發射重量36.8噸,戰鬥部全重1.2噸,所以說三十多噸的導彈,有效的載彈量只有一兩噸,實在是小的可憐。
而相比之下,美國的B-1B“槍騎兵”轟炸機,飛機的起飛重量220噸,其中載彈量居然可以達到驚人的60噸,並且同樣具有1.2萬公里的航程。這種飛機使用的發動機還不是民用客機中使用的大涵道比渦扇發動機,民用飛機的工作效率只會更加高。
實際上只要對比一下導彈和飛機發動機的原理就可以知道了。導彈的發動機結構相對比較簡單,但是在工作的過程中會浪費大量的氣體動能和熱能,所以發動機效率很低。飛機發動機,尤其是大涵道比航空發動機,效率則會高很多。
第二個,飛機發動機的使用效率比火箭高得多。
所謂的使用效率,就是在整個發動機的壽命內可以實現總的工作量。
火箭發動機基本上是一次性的,所以發射一次基本上發動機也就廢了(現在的SpaceX可回收式的火箭才能夠實現發動機的多次使用)。飛機發動機的使用壽命卻可以高達數萬小時,所以說火箭一發就用一次,飛機則可以反覆使用。這樣誰的使用效率高、誰的效率低就一目瞭然了。
總結一下,飛機和火箭的作用是不一樣的,飛機發動機主要是要求效率高、壽命長,火箭發動機則是推力大、高速性能好和可以在大氣層外工作。兩種發動機在大部分情況下是不可以替代。
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洲際導彈為了可以隨時發射,方便存放,使用的都是固體燃料發動機。
如果飛機使用這種發動機是不可以的,因為固體火箭發動機一旦啟動,基本上都是直接運行到燃料耗盡,很難精確調控推力,無法重新啟動。
而飛機不能像竄天猴一樣飛出去不回來降落,這就導致了飛機不適合使用固體火箭發動機。
那麼,使用液體火箭發動機可以嗎?當然可以。二戰時候的德國就有Me163參戰,它使用的一款液體燃料火箭動力發動機。
液體燃料相對於固體燃料,可控性好的多,可以調節推力,但是這玩意不穩定並且有毒。所以駕駛這些飛機的飛行員都得穿著防護服。
Me163可以在分分鐘飛上高空攔截轟炸機,這種飛機在當時是一種無敵的存在。然而畢竟是火箭發動機,所以損失中的80%發生在起降階段。
那為什麼現代技術發達了,燃料也可以沒毒,並且可控了,飛機還不使用火箭發動機呢?
其中的原因有很多,首先就是燃料比衝的問題。就是你用多重的燃料,可以給飛行器帶來多少衝量。說簡單一些,就是使用常見的飛機發動機,比使用火箭發動機,帶給飛機的能量可以高出三到六倍。這還不算上操控或者性價比之類的問題。
雖然火箭發動機可以瞬間提供很大的推力,但是實在不適合在飛機上用。除非飛機和Me163的任務一樣,迅速升空攔截轟炸機,然後“落地成盒”。這完全不如來一發地對空導彈有效。
如果飛機想要進入大氣層外執行任務,那按照現在的技術來看,鞋帶彈藥並且可以達到這個目標的戰鬥機,體積要比航天飛機大的多。所以目前看來,火箭發動機在飛機上的應用還有些困難。
但是飛機也有一種技術可以實現比導彈飛的還快,那就是正在研製的超燃衝壓發動機。
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首先要明白洲際導彈之所以能飛那麼遠和發動機本身關係不大,雖然導彈的發動機一般都具有很大推力但是讓導彈飛那麼遠的秘訣在於導彈的氣動外形。對比一下就知道洲際導彈大多都是圓筒彈身加上圓錐彈頭,飛行阻力是非常少的,這就大大給發動機降低了工作負荷,即便是攜帶少量的燃料也可以飛行相當長的距離;而一般的戰鬥機都不具備這種優秀的氣動外形。關於氣動外形的選擇還要說一說洲際導彈和飛機的原理差別。
洲際巡航導彈在發動機推動之下升到一定高度,藉助地球引力做巡航飛行時發動機僅僅提供一種平衡推力。這種推力平衡了導彈受到的阻力導彈處於受力平衡狀態,就像衛星一樣做著勻速圓周運動,也因此飛行距離對發動機的要求並不很高。而洲際導彈中的另一種“彈道導彈”原理又不一樣,彈道導彈是藉助發動機推力提升到一定高度,在下落過程中藉助空氣動力學原理遠距離滑翔到目標上空,這樣做對發動機的要求就更低了,代價是制導精度大幅下降航程也嚴重萎縮。印度的烈火5導彈就是以這種形式發射的,保守估計其射程在5000公里上下.
最後是戰鬥機的的飛行需要,飛機需要具備長時間巡航飛行、多種超機動動作的能力,這就是他不能採用導彈氣動外形的原因,氣動外形上的阻力消耗了發動機功率和油箱的燃料,航程上的大幅縮水由此而來;此外就是飛機的飛行原理問題,飛機藉助機翼形成的上升力達到上下表面的受力平衡,而機翼上的受力也是發動機推力提供的空氣動力,這本身就是嚴重消耗燃料的,再加上飛機各種機動動作需要發動機隨時變更推力的大小,這也是飛機耗油嚴重的原因。
而飛機之所以不採用導彈發動機,原因在於這種發動機並不適用於飛機,導彈發動機是自己攜帶氧化劑的,這就是為什麼他沒有飛機上的進氣道,攜帶燃料之外的氧化劑需要佔用大量的空間和重量,這對於戰鬥機而言是絕對無法接受的。上文已經提到飛機的載重能力是需要發動機消耗燃料來換取的,設法減重是提高飛機航程的最基本原理。此外火箭發動機提供的推力是不可以調節的,這種發動機之所以推力巨大離不開瞬間的加速性,而戰鬥機各種動作需要發動機推力處於可變的狀態,因此戰機和導彈的發動機是絕對不可能替換使用的。
利刃軍事
這個問題首先要想到重複性的問題,我們知道航天用的發動機與航空用是兩種不同的概念,因為前者是一次性的東西,而後者是少有幾千小時,多的上萬時壽的嚴格要求的。再者火箭發動機與航空發動機的構造原理也是不一樣的,一種是比衝高的可燃衝壓發動機,一種是現在發展到渦扇的發動機。
再者能夠飛行上萬公里的洲際導彈其發動機的規格尺寸也要比常規航空用發動機要大上許多,這還沒說能不能用上的問題。雖然目前美歐以及中國都在研發可重複利用的火箭發動機,也就是能夠返回火箭一級,這樣做的首要目的也是為了更大更有效的降低火箭發射的單次成本,雖然潛在的利好是可重複使用。
但即便能夠重複使用,從次數上也是和航空用動輒幾千小時的壽命沒法比,如果反過來想,如果按照現在的技術能力即便把火箭發動機裝到了飛機上,這樣高成本的且壽命更有限的發動機帶來的必然是飛機制造成本的大幅飆升,這還不算因為火箭的飛行速度是要衝破大氣層的宇宙速度,你放到飛機這樣的結構體上,能夠預見的必然是飛機的解體。
長安小師爺
洲際導彈動力系統與飛機發動機有很大區別。洲際導彈動力系統大多采取液態推進裝置或固體燃料火箭推進機,一般可以飛一萬多公里。而航空發動機是一種高度複雜和精密的熱力機械,為飛機提供飛行所需動力,作為飛機的心臟,它直接影響飛機性能及可靠性。
火箭動力系統主要是應用動量守恆,系統內能發射前後完全不同,新增內能源於對火箭所附帶燃料進行燃燒從而增加系統推進能力。同時,物質被噴射出後,單位時間內質量低,速度快,從而保證火箭能加速飛行。
就目前應用比較多的固體推進器而言,準確名稱叫固體火箭助推器。火箭在受到技術條件限制達不到所需要推力值情況下經常會選擇捆綁若干個固體燃料助推器,這是遠程火箭動力系統重要組成部分,火箭起飛時,助推器和一級主機同時點火,燃燒完畢後與一級分離被拋掉。
此外,火箭動力系統中還有專門大推力火箭發動機,這與飛機發動機設計原理也完全不同,他們是利用衝量原理,自帶推進劑、不依賴外界空氣的噴氣發動機。火箭發動機不像噴氣式發動機那樣需要進風口,所以不需要從總推力中扣除衝壓阻力。
而正因此,其主要作用也與飛機發動機不同,更多是需要在火箭起飛初期為升空和之後飛行提供巨大推動力,而航空發動機還需要考慮功率比重、燃油消耗量、迎風面積、工作壽命等諸多問題,兩種動力推進裝置設計風格與實際任務完全不同,所以自然無法互相替換。【張屹】
大國策
用類似導彈的飛行方式執行客運,用飛機幾十倍的速度進行人員貨物運輸,正是現在設想的熱點。
用彈道飛行的火箭(而不是靠空氣升力飛行的飛機)進行運輸的想法古已有之,嚴格來說導彈本身就是一種運輸工具,只是它運輸的是炸藥和毀滅,而不是人員和貨物。早期的幾次亞軌道載人飛行也可以算是運輸,像美國的第一次載人亞軌道飛行,謝潑德在水星-紅石3號上飛行了15分鐘半,降落在486公里之外,時速接近2000公里,超過了絕大多數的飛機。在一些科幻小說的設想中,像是《fatherland》裡面,就描述了納粹德國贏得二戰之後,將火箭技術發展為跨大西洋的越洋快速交通工具的設想,這是有事實作為支撐的。
但是現今為止,有幸用亞軌道彈道飛行的只有少許經過訓練的航天員,這主要是處於兩個原因。首先是發射時的過載,出於充分發揮火箭能力的原因,發射火箭的過載都要遠大於水平爬升的飛機,早期載人火箭的G值可達7~8,現在隨著技術進步一般火箭G值降到了5左右,航天飛機能降到3,這意味著發射的短時間內人體承受的重力會增加3~5倍,沒受過訓練體質不好的普通人一般是難以承受的。其次就是飛行成本,如果火箭發射後不能順暢降落重複利用,相當於坐一次航班飛機就摔掉報廢,這在經濟上是無法承受持續運營的。
所以要想讓火箭運輸成為現實,首先需要足夠高性能的火箭降低起飛降落過載,其次需要穩定可靠的火箭發射回收技術。現在這兩方面做的最好的就是SpaceX,他們最近剛剛提出了這方面的設想,希望通過低價,海上發射的可重複使用火箭,在主要城市之間實現30分鐘數千英里的往返速度,例如從曼谷去迪拜,或是從夏威夷去東京,最高時速可能達到約1.67萬英里(約合2.69萬公里)。如果這一設想順暢實現,不遠的未來我們就有可能乘坐火箭像導彈一樣高速抵達目的地。
海邊椰子
洲際導彈一般使用大型液體火箭發動機或固體火箭發動機,目前在役的飛機均沒有采用火箭發動機的,歷史上只有航天飛機採用火箭發動機。
這是因為如果只是追求一萬多公里的航程的話,飛機並不需要使用洲際導彈的發動機,因為現有大型飛機使用的發動機,只有油料充足,基本上都支持一萬多公里的飛行。民用飛機比如採用渦輪風扇發動機的波音747,就擁有高達15000公里的最遠航程,軍用飛機如採用渦輪噴氣發動機的B-52,航程更是高達16000公里,甚至採用是渦輪螺旋槳發動機的圖-95轟炸機,也擁有超過12000公里的航程。
飛機之所以不採用火箭發動機,首先因為絕大部分飛機都是要長期重複使用的,而火箭發動機基本上是一次性的,雖然大家都知道現在美國已經成功實現了火箭的重複發射,但目前重複使用火箭發動機的技術並未成熟,而且目前火箭發動機要實現重複使用的話,需要花費大量檢查修復的時間和費用,遠不能滿足飛機這種可能不到一個小時就要重新復飛的需要。
此外,火箭發動機動力對於飛機來說,過於充沛,啟動時對周邊環境的影響過大,又無法進行靈活的空中機動,而且成員的舒適性太差,航天員都要經過長時間的專業訓練才能適應。
除了技術因素外,更多是基於經濟性的考慮,飛機的發動機可以長期重複使用,消耗的只是相對便宜的航空燃料,要達到同樣的航程,一次性的火箭發動機的費用要比飛機高近百倍,比如長征11號一次的發射費用約為8000萬,私人包一架飛機洲際飛行的費用尚不到100萬。
諸葛小徹
我們都知道洲際導彈是指超過8000公里射程的彈道導彈,我國2017年服役的東風-41彈道導彈最大射程14000公里,如此遠的飛行距離,不禁令人想問,為何不見此發動機應用到戰鬥機上?
首先我們要明白一點,彈道導彈使用的發動機為火箭發動機,而我們的戰鬥機使用的則是渦輪發動機,兩者有本質上的區別。此外,導彈是一次性設計的,而戰鬥機則是重複性使用的,兩者幾乎沒有可比擬性!
洲際導彈的飛行速度最高可達20馬赫,落地時的速度甚至可以達到25馬赫以上,戰機不同於彈道導彈,如果戰機以這個速度飛行,估計沒飛多遠飛機全散架了,甚至是與大氣層的摩擦過程中被燒燬。
一般情況下,飛機飛行速度超過音速時,就會產生音爆現象,這時候開始遇到一股強大的阻力。先前有網友指出,戰鬥機最快可超過10倍音速飛行,其實這是不可能的,
如今最快的戰機也不超過5倍音速,扯到10音速去,這傢伙簡直就是一個危險的“炸彈”!此外,洲際導彈都是在大氣層以外飛行,上面的阻力比較小,加上強有力的火箭發動機推進。要讓戰鬥機飛到大氣層以外,即使是戰機受得了,飛行員也堅持不了多久!網友調侃說:用可燃冰呀!100升50000公里!50000公里呀!對此你怎麼看呢?
諸葛小軍
講個段子就明白了:
一天,火箭引擎的工程師和飛機引擎的工程師在一起吃飯,火箭的說:“你看啊,我們的天宮,神舟都上天好幾次了!你們的大飛機還沒出窩!” 飛機工程師大怒:“有本事你把火箭的油耗說出來聽聽,你們那玩意能重複使用嗎?”火箭工程師笑而不語。。。