一枚导弹的各个分系统是如何运作的(二)“一颗强壮的心脏,让导弹更快更远”——动力系统

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  出品:科普中国

  作者:鸿爪雪梨

  策划:武玥彤

  监制:光明网科普事业部

  一枚导弹的各个分系统是如何运作的(二)“一颗强壮的心脏,让导弹更快更远”——动力系统

  无论哪款导弹,动力系统都是不可缺少的核心要素。导弹动力系统的设计基本上是伴随着导弹总体设计同步开展的。在确定导弹的弹径、射程、最大重量、最大速度等基本要求后,专家们就可以开始进行发动机的初步设计。

  导弹的推进系统向导弹飞行的反方向喷射工质,产生推力从而推动导弹运动。根据燃料的不同,通常有固体火箭发动机、液体火箭发动机和吸气式火箭发动机。不同种类的发动机各有优劣,根据导弹作战任务,选择合适类型的发动机。

  固体发动机的推进剂一般做成药柱装填在发动机壳体内,当被点燃时,可产生高温高压气体,反推导弹飞行。固体火箭发动机结构简单紧凑,使用方便,发射准备时间短,但推力相对较低且不便于多次启动和重复使用,因此在中近程或中小型导弹上广泛应用。在一些导弹的设计中,通过设置两级装药,可实现发动机的两次点火,从而可使导弹在临近目标时再次点火,获得更高的速度,以提高突击效果。

  

  图1 固体火箭发动机的基本结构(图片来自网络)

  液体发动机以液态燃烧剂和氧化剂作为能源,液体燃料从储厢中喷入燃烧室燃烧,产生的高温高压燃气从喷管喷出,产生反作用力。液体发动机的推力较高,且可通过调整燃料喷射速度而灵活的调整导弹推力,同时也可关机和再次启动;但结构复杂,燃料注入时间长,不利于储存操作。液体发动机在洲际导弹这一类大家伙上广泛运用。

  

  图2 液体发动机原理图(图片来自网络)

  吸气式火箭发动机与固体、液体发动机的显著区别在于,后两者均自带氧化剂,而吸气式发动机仅自带燃料,以空气作为氧化剂。一些远程对陆对舰攻击的导弹,由于弹体重量和直接有限,如何利用更少的燃料飞行更远的距离就成了一个难题。对于航程较远,不需要全程高速飞行,且全程在大气层内的导弹来说,使用吸气式发动机是一个很好的选择。同时,大部分采用吸气式火箭发动机的导弹均采用两种或两种以上发动机组合,如美国“战斧”巡航导弹,起飞段是火箭助推器,巡航段用涡扇发动机,用几百公斤的高密度燃料,实现了2500多公里超远射程。

  

  图3 中国自主研制的WS500涡扇发动机(图片来自网络)

  发动机设计的另一核心是对燃料燃烧速率的控制。在这一步中,发动机推进剂的配方、药型就成为了决定发动机能力的关键要素。尤其是在固体火箭发动机中,由于固体推进剂药柱在点火后就只能一直烧到底不能停止,如果想控制它的推力,只能在制造时控制发射药的表面形状和装药量,达到部分控制的目的。药柱表面不均匀,将直接导致发动机推力偏斜,轻则影响导弹的射程和精度,重则使导弹在飞行过程中失稳,造成弹道爆炸。由于发射药柱的易燃易爆特性,且表面较为复杂,迄今为止,机器仍不能很好的适应药柱表面修理的工作,大国工匠徐立平用一把小刀,将推进剂药柱表面的误差控制在0.2mm以内,有力保障了我国众多战略型号的交付和使用。

  军事小百科:导弹发动机有固体、液体、吸气式三大类,分别适用于不同规模、用途的导弹,固体火箭发动机以推进剂药柱为燃料,具有便于生产、使用方便的特点,在各种中小型战术导弹中广泛使用,而液体发动机则更适用于洲际导弹等大杀器,同时随着固体推进剂的发展,一些远程导弹也正在逐渐由液体动力转为固体动力,以提高反应速度,降低维护成本。发动机系统的重量占导弹全重的比重较大,关系到整个导弹的机动性、可操纵性和突防性能,可称为是导弹的“心脏”。

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