推力和固体燃料火箭

火箭发动机的“力量”称为推力。在美国，推力的单位是“推力磅数”，而在公制中则以“牛顿”为单位（4.45牛顿的推力与1磅推力相近）。1磅推力相当于使地球上质量为1磅的物体克服重力作用以保持静止所需的推力。在地球上，重力加速度为9.8米/秒²。如果您带着一袋棒球（假设每个棒球的质量为1磅）漂浮在太空中，并且每秒扔出一个棒球，使它与您的相对速度为33.8公里/小时，那么每个棒球将产生相当于1磅的推力。如果您以67.6公里/小时的速度掷出棒球，那么您产生的推力为2磅。如果您以3380公里/小时的速度掷出它们（可能是用某种“棒球炮”来发射它们的），那么您将会产生100磅的推力，以此类推。

关于火箭，有一个有趣的问题：由于发动机抛射的物体实际上是有质量的，因此火箭必须携带这些质量。因此，我们假设您希望每秒掷出一个相对速度为3380公里/小时的棒球来生成100磅的推力，并持续1小时。这意味着您开始时必须携带3,600个质量为1磅的棒球（因为1小时有3,600秒），或总质量为3,600磅的多个棒球。由于您穿着太空服时的总质量只有100磅，于是您会发现“燃料”的质量远远大于有效负荷（也就是您）。实际上，燃料的质量是有效负荷的36倍。而这是个常见的现象。这就是为什么目前必须用一枚巨大的火箭来将一个质量很小的人发射到太空——火箭必须携带大量燃料。

航天飞机

您可以清楚地看到这个质量方程式在航天飞机上的应用。如果您曾经目睹过航天飞机的发射，您就知道其中包含三个部分：

• 轨道飞行器
• 大型外贮箱
• 两部固体火箭助推器（SRB）

轨道飞行器的空载质量为165,000磅（1磅 = 0.45公斤）。外贮箱的空载质量为78,100磅。两部固体火箭助推器，每一部的空载质量均为185,000磅。但接下来您必须向其中装入燃料。每部固体火箭助推器将容纳100万磅燃料。外贮箱装有143,000加仑（1加仑 = 3.79升）液氧（1,359,000磅）和 383,000加仑液氢（226,000磅）。包括航天飞机、外贮箱、固体火箭推进器外壳和所有燃料在内的整个飞行器在发射时的总质量为440万磅。用440万磅将165,000磅送入轨道，这简直是天壤之别。说实话，轨道飞行器还可以承载65,000磅的有效负荷（最大体积为4.5 x 18米），但质量的差别仍然很大。燃料的质量大约是轨道飞行器的20倍。

航天飞机的所有燃料都是从它的后部喷出的，喷射速度约为9600公里/小时（化学火箭通常的喷射速度在8,000至16,000公里/小时之间）。每次发射时，SRB大约燃烧两分钟，产生约330万磅的推力（整个燃烧过程的平均推力为265万磅）。三台主发动机（使用外贮箱中的燃料）大约燃烧八分钟，燃烧期间每台发动机产生375,000磅的推力。

固体燃料火箭：混合燃料

固体燃料火箭发动机是人类制造的第一种发动机。它在几百年前由中国人发明，从那以后一直得到广泛的应用。美国国歌（创作于19世纪初）中有“火箭发出红焰”（the rocket's red glare）这句歌词，它说的是用来发射炸弹或燃烧弹的小型军用固体燃料火箭。由此可以看出固体燃料火箭已经有了相当长的使用历史。

简单固体燃料火箭背后的原理十分浅显。您要做的就是制造出一种既能迅速燃烧又不会爆炸的物质。众所周知，火药会发生爆炸。火药由75%的硝石、15%的碳和10%的硫磺组成。在火箭发动机中，您不希望发生爆炸，而是想让能量在一段时间内均匀地释放出来。因此您可以将混合比例改成72%的硝石、24%的碳和4%的硫磺。这种情况下，您得到的不是火药，而是简单的火箭燃料。这种混合物的燃烧速度极快，但如果采用了适当的装填方式，它就不会爆炸。下面是一幅典型的剖面图：

一枚固体燃料火箭在点火之前和之后的情景

您在左边看到的是点火之前的火箭。固体燃料用绿色表示。它是圆柱形的，中间被钻出一条管道。当您点燃燃料时，它将沿着管道内壁燃烧。在这一过程中，燃料会朝着外壳的方向向外燃烧，直到所有燃料燃尽为止。在小型火箭发动机模型或瓶式微型火箭中，燃烧的持续时间可能只有一秒钟或更短。在一部装有100万磅燃料的航天飞机SRB中，燃烧过程将持续约两分钟。

固体燃料火箭：管道结构

当您阅读关于高级固体燃料火箭（如航天飞机的固体火箭推进器）的文章时，常会读到类似下面的内容：

各个SRB发动机中的混合推进剂是由高氯酸铵（氧化剂，占总质量的69.6%）、铝（燃料，16%）、氧化铁（催化剂，0.4%）、聚合物（将混合物结合在一起的粘结剂，12.04%）和环氧固化剂(1.96%)混合而成的。推进剂在前发动机段有一个十一角星形的孔，而在每个尾段和后盖中，孔的形状则像截去两头的双圆锥。这种结构能在点火时提供巨大的推力，并在升空50秒后降低约三分之一的推力，以免在出现最大动态压力的时间段内使飞行器处于超负载状态。

这段文字不仅讨论了混合燃料，而且还介绍了燃料中央所钻的管道的结构。“十一角星形的孔”如下图所示：

它的原理是增大管道的表面积，从而增大燃烧区域并进而提高推力。当燃料燃烧时，孔的形状会均匀向外扩展，形成一个圆形。对于SRB来说，这种结构会为发动机提供较高的初始推力，而在飞行中段的推力则较低。

固体燃料火箭发动机有三个重要的优点：

• 简单
• 成本低
• 安全

它们也有两个缺点：

• 无法控制推力。
• 一旦点火，发动机就无法停止或重新启动。

这些缺点意味着固体燃料火箭只能用于短期任务（如导弹）或推进器系统。如果您需要控制发动机，则必须使用液体推进剂系统。下面我们来了解这方面的知识及其他可能的燃料。