飛天“雄心”——導彈發動機有哪些分類?又是如何工作的?

自從1942年,德國首先研製出V1、V2導彈後,整個世界就進入新武器時代。

導彈徹底改變了戰爭模樣,以前由火炮稱雄的戰場,現在變成了導彈主宰。各種遠程導彈讓現代軍隊在兵力到達前,先實現火力到達,戰場反應速度和火力強度比以前提高很多。

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德國V2地地導彈

一輛F1賽車極速達300多公里/小時,一架偵察機極速達2-3馬赫,一枚奔月火箭速度超過7.9千米/秒。這些高速的背後,都離不開一顆強大澎湃的“動力之心”。

導彈也一樣,強悍發動機賦予其風馳電掣的能力,成為現代戰場上的先行者。

但是導彈使用範圍很廣,所以種類也很多:

1、有體型龐大的洲際彈道導彈,其飛行軌跡中間有一大段位於高層空間。那裡空氣稀薄、阻力很小,需要導彈自己攜帶氧化劑和還原劑。

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2、有射程極遠的巡航導彈、飛航式導彈。它們在稠密的大氣層中飛行,升力強、阻力大,可以吸入空氣燃燒作工質,自己只攜帶燃料即可。

3、還有機動靈活,攔截飛機和航空器的防空導彈;低空飛行的反坦克導彈;以及速度達十幾馬赫的高超聲速飛行器等等。

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俄羅斯“鋯石”超音速反艦導彈

導彈種類繁多,所以發動機也多種多樣。有的全程工作,有的只工作幾秒,有的推力巨大,有的能脈衝點火。它們各有優缺點,在不同環境中發揮巨大作用。

總的來說,導彈發動機有三大類:火箭發動機、吸氣式發動機、特種發動機。

一、火箭發動機。

火箭發動機應用廣泛,體型從小到大(直徑0.6釐米~6米)都有,推力從零點幾到10兆牛不等。按推進劑不同,分成液體火箭發動機、固體火箭發動機和固體-液體組合火箭發動機。

1、液體火箭發動機。

源於1903年俄國著名火箭專家——齊奧爾科夫斯基提出的火箭構想。二戰時期,德國科學家研製出A4液體火箭發動機,裝備到V2彈道導彈上。

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擠壓式和泵壓式液體火箭發動機

液體火箭發動機燃燒,有單組元、雙組元、三組元等不同形式。

單組元通過自身分解和燃燒產生高溫高壓氣體。雙組元由氧化劑和還原劑兩種物質混合後燃燒,產生高壓推進氣體,如液氧-煤油、液氧-酒精、液氫-液氧、偏二甲肼-四氧化二氮等等。

第一代洲際彈道導彈由火箭發展而來,所以美國大力神-I、蘇聯SS-10等都採用液體火箭發動機。美國“長矛”、蘇聯SS-3地地戰術導彈也同樣是液體火箭發動機。

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大力神-I洲際導彈的LR-87液體火箭發動機

液體火箭發動機比衝高、工作時間長、推力靈活易控制、可多次點火、容易多級串並聯使用,適合在運載火箭、大型導彈上使用,或作為小型姿態調整發動機使用。

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小動量發動機噴射氣體調整姿態

其缺點是液體燃料不易保存,使用前要提前加註,準備時間長,結構複雜,反應速度慢,部分燃料有劇毒,對使用者產生危害等等。所以研製新型高性能液體推進劑,減輕結構重量,擴大性能參數調節範圍是未來發展方向。

2、固體火箭發動機。

為了提高反應速度,工程師又琢磨著將燃燒劑和氧化劑做成固體,以藥柱或澆鑄成型的方式裝填到燃燒室裡(兼作儲存容器),成為固體火箭發動機。由燃燒室、噴管和點火裝置組成。

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固體火箭發動機結構

20世紀60年代,固體火箭發動機關鍵技術取得突破,其後很多導彈都改成了固體火箭發動機。

它具有推力大、反應速度快、結構簡單、可靠性高、使用方便的優點,非常適合需要高速機動和快速反應導彈。如戰術地地導彈、防空導彈、空空/空地導彈、反坦克導彈等。

它的缺點是比衝低、重量大、不容易多次點火和調節推力,對運輸、貯存環境要求嚴格。

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單室雙推力固體火箭發動機

現代先進空空導彈的戰術需求,還催生了多種新型固體火箭發動機,如單室雙推力、雙室雙推力、雙脈衝固體火箭發動機等等。原理是利用多節藥柱分次點火,使空空導彈兼具巡航飛行和末端加速能力。

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雙脈衝固體火箭發動機

在此之前,空空導彈火箭發動機只在初始階段工作幾秒到十幾秒,然後發動機停止工作,導彈剩餘階段全憑慣性飛行。所以空空導彈速度越來越低,每次機動都消耗大量能量,最後追不上飛機或被其擺脫自毀。

換裝雙推力、雙脈衝發動機後,空空導彈巡航階段可以用燃速較慢的續航藥柱節約能量;到末端導引頭鎖定目標後啟動速燃助推藥柱,導彈瞬間提速獲得巨大動能,敵機就無法擺脫了。

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雙脈衝固體火箭發動機

3、固體-液體混合火箭發動機。

它的推進劑由

固體燃料藥柱+液體氧化劑,或者固體氧化劑+液體燃料組成。工作性能介於固體、液體火箭發動機之間,燃燒室尺寸小,比衝大。但是燃燒不均勻,火焰溫度太高,現在已很少使用。

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固-液混合火箭發動機

二、吸氣式發動機。

吸氣式發動機非常常見,導彈、飛機、軍艦上到處都有,分

渦噴發動機、渦扇發動機、衝壓發動機、火箭-衝壓發動機等。

1、渦噴、渦扇發動機。

二戰中,德軍將渦噴發動機裝備到Me-262戰鬥機上,成為第一種用於實戰的噴氣式戰鬥機。

其後渦噴、渦扇發動機迅速發展,在巡航導彈、反艦導彈上廣泛使用。因為它們在大氣層中飛行,自身攜帶燃料有限,又需要很遠的射程,所以經濟高效的發動機必不可少。

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上渦扇,下渦噴發動機

一般小型渦噴發動機體積小、成本低、可靠性高,適用於戰術巡航導彈,如美國AGM-84 “捕鯨叉”空射反艦導彈等。

小型渦扇發動機經濟性更好、耗油低、排氣流紅外輻射弱,適用於遠程戰略巡航導彈,如美國BGM-109“戰斧”巡航導彈等。

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戰斧巡航導彈的小型渦扇發動機

2、衝壓發動機。

衝壓發動機也是非常優秀的發動機,適合在大氣層中飛行速度高於2馬赫時使用。

衝壓發動機是純通管發動機,結構很簡單,只有進氣道、燃燒室和尾噴管,沒有壓氣機,沒有渦輪,也沒有旋轉部件。但其推力很大、重量輕、成本低,當飛行速度大於3馬赫時經濟性和效率都很高。

它工作時,迎面高速氣流從進氣道進入,抵達燃燒室後因速度驟減而壓縮,密度增大溫度升高。與霧狀燃料混合點燃,形成高溫高壓氣體,由尾噴管膨脹加速噴出,獲得巨大推力。適合各種艦空、地空導彈、靶彈和高超音速飛行器使用。

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各種衝壓發動機

但是”甘蔗沒有兩頭甜“,衝壓發動機也存在重大缺陷。其沒有壓氣機不能壓縮空氣,所以低速時不能啟動,必須要藉助其他方式達到一定速度後才能啟動,對使用環境要求很高。

現在衝壓發動機還普遍是亞聲速燃燒,但超聲速燃燒衝壓發動機已在緊張研製中。它的燃料在大於聲速的氣流速度中燃燒,等技術成熟後,將大大突破現有速度和高度,使飛行器速度達6~25馬赫!

將其裝備在高超聲速巡航導彈、高超聲速飛機和空天飛機上,1小時內可到達全球任何目標。

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3、吸氣式火箭發動機。

吸氣發動機和火箭發動機各有優缺點,若將二者組合在一起,就能滿足速度與效率、中低空與高空、機動性與遠射程的多重需求。它就是兼具二者優點的吸氣式火箭發動機,也叫管道火箭發動機,如整體式火箭衝壓發動機。

它的構思之精巧,簡直讓人不可思議。固體火箭發動機和衝壓發動機組合成一個整體,以衝壓發動機的燃燒室作貯存室,容納固體火箭發動機燃料。

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工作時固體藥柱先燃燒,將導彈加速到1~2馬赫。等固體燃料燒完,燃燒室就空餘出來,恢復其本來作用。然後衝壓發動機打開進氣口,拋掉火箭尾噴管,點燃混合燃氣將導彈加速到3~4馬赫以上。

這種組合最大限度的利用了空間,體積小、重量輕,在地空導彈、反艦導彈和部分空空導彈上廣泛應用。

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歐洲“流星”空空導彈採用整體式火箭衝壓發動機

如蘇聯“薩姆-6”地空導彈,就是典型的整體式火箭衝壓發動機。歐洲研製的“流星”遠程空空導彈也採用此類發動機,導彈全程都有動力支持,機動能力大大提高,是目前最先進的空空導彈之一。

三、特種火箭發動機。

如今火箭發動機、吸氣發動機、組合發動機佔據了導彈發動機的主流。但除此之外,人們還在研究很多新發動機,運用到導彈和運載火箭上。如核火箭發動機、電火箭發動機、等離子體發動機、太陽能火箭發動機和光子火箭發動機等等

核火箭發動機利用核能加熱工質,產生推力,具有無限航程、推力大、比衝高,工作時間長等優點。

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它曾經應用在導彈上,如美國“冥王星”核動力巡航導彈。這種導彈在大氣層內飛行,就像一個移動核反應堆,一路飛一路汙染。不僅對敵人有殺傷,對自己也沒什麼好處,所以只實驗了一次就下馬了。

不過2018年,為應對世界形勢變化,俄羅斯新型9M730“海燕”核動力巡航導彈試射成功,使其重新回到公眾面前。和風漫談原創,禁止抄襲。

核火箭發動機在未來宇宙飛船星際航行中有巨大價值,反正太空中充滿輻射,小小核塵埃根本不算什麼。

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等離子體發動機

還有電火箭發動機、等離子體發動機、太陽能火箭發動機、光子火箭發動機等,它們的比衝都非常高,達到7000~200000m/s,工作時間很長,工質噴射速度極快。但是推力都很小,只有零點幾到幾十牛,適合作火箭、導彈姿態調整或星際航行發動機使用。

這些形形色色的“飛天雄心”不斷髮展,使導彈擁有更強大戰鬥力和更遠作戰範圍。從陸地到海洋,從大氣層內到茫茫太空,導彈將繼續統治未來戰場,直到被更先進的武器替代!


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