航天知识丨火箭发动机的结构与分类
为飞行器提供动力，推动飞行器前进的装置称为动力系统或动力装置，简称发动机。火箭发动机的性能对飞行器性能起着至关重要的作用，人们常常把它比喻为火箭的"心脏"。化学火箭发动机是目前技术最成熟、应用最广泛的火箭发动机。化学火箭发动机按推进剂的物态主要分为固体火箭发动机和液体火箭发动机。
火箭发动机（图片来源：百度图片）
固体火箭发动机
固体火箭发动机的燃料和氧化剂是以固体状态直接储存在火箭发动机里面。固体火箭发动机由药柱、燃烧室、喷管组件和点火装置组成，其中药柱配方及成型工艺、喷管设计及采用材料与制造工艺、燃烧室材料及制造工艺是最为关键的环节，直接影响固体发动机的性能。
固体燃料火箭的简化图（图片来源：维基百科）
1药柱 2点火装置 3燃烧室 4喉部 5喷管
药柱是由推进剂与少量添加剂制成的中空圆柱体（中空部分为燃烧面，其横截面形状有圆形、星形等）。燃烧室是贮存药柱并供其燃烧的组件，通常燃烧室还是火箭箭体结构的组成部分。点火装置用于点燃药柱，通常由电发火管和火药盒组成。通电后由电热丝点燃黑火药，再由黑火药点燃药柱。
药柱截面图（图片来源：百度图片）
火箭发动机喷管属于收敛-扩张型喷管，由入口段、喉部、出口锥构成，它的作用是将燃烧产物的热能转换为高速射流的动能从而产生推力。
固体火箭发动机结构（图片来源：百度图片）
固体火箭发动机的优点是结构简单、易于贮存、成本较低。缺点是比冲小（也叫比推力，是发动机推力与每秒消耗推进剂重量的比值，单位为秒）、燃烧持续时间短，并且无法实现流量控制，即进入燃烧状态以后只能等到燃料耗尽才能熄火。
“快舟”运载火箭（图片来源：微信公众号“中国航天科工”）
固体运载火箭主要被用于小型火箭以及中大型火箭起飞阶段的助推器。比如航天飞机两侧的固体助推器SRB。
航天飞机两侧的固体助推器（图片来源：百度图片）
液体火箭发动机
液体火箭发动机是指液体推进剂的化学火箭发动机。常用的液体氧化剂有液态氧、四氧化二氮等，燃烧剂有液氢、偏二甲肼、煤油等。液体火箭发动机一般由推进剂储箱、推进剂流量控制系统、推力室和冷却系统等构成。
液体燃料火箭的简化图（图片来源：维基百科）
1燃烧剂储箱 2氧化剂储箱 3涡轮泵 4燃烧室 5喉部 6喷管
推力室是将液体推进剂的化学能转变成推力的重要组件。它由推进剂喷注器、燃烧室、喷管等组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室，经雾化、混合和燃烧等过程后生成燃烧产物，从喷管中高速喷出而产生推力。
推力室（图片来源：谷歌）
推进剂供应系统是液体火箭发动机中将推进剂由储箱输送到燃烧室的所有装置的总称。常用的推进剂供应系统有挤压式和泵压式两种。
挤压式供应系统利用高压气体的压力，将推进剂由储箱送入燃烧室。挤压式供应系统简单可靠，容易实现多次启动，常用于推力不大又需要多次启动的航天器飞行。缺点是高压气瓶重量较大。
挤压式供应系统（图片来源：维基百科）
泵压式供应系统利用涡轮泵将推进剂输送到发动机燃烧室，根据涡轮泵燃料的来源又可将泵压式供应系统细分为燃气发生器循环、膨胀循环和分级燃烧循环等供应方式。下图为燃气发生器循环式的示意图。
燃气发生器循环式供应系统（图片来源：维基百科）
液体火箭发动机的优点是比冲高、推力范围大、可重复启动、推力大小可控、工作时间较长等，目前被广泛应用于运载火箭、航天器以及导弹。下图一为美国F1火箭发动机与它的设计者冯布劳恩，图二为至今世界上推力最大的火箭发动机——苏联的RD-170，为单发动机四燃烧室设计。
冯·布劳恩与F-1火箭发动机的合影（图片来源：维基百科）
在圣彼得堡的航太与导弹博物馆展览中的RD-170模型（图片来源：维基百科）
非化学火箭发动机
除了前面提到的化学火箭发动机外，还有不依靠化学反应产生动力的发动机，成为非化学火箭发动机。目前可分为三大类：电火箭发动机、核火箭发动机、太阳能火箭发动机。
电火箭发动机是利用电能加速粒子，形成高速射流而产生推力的火箭发动机。按加速粒子的方式不同，电火箭发动机有电热火箭发动机、静电火箭发动机和电磁火箭发动机三种。
电火箭发动机（图片来源：百度）
核火箭发动机利用核能加速粒子，得到高速射流产生推力。根据核能释放方式不同，可分为聚变型、裂变型和放射性同位素衰变型等。
核火箭发动机（图片来源：谷歌）
太阳能火箭发动机是利用太阳能加热推进剂，经喷管气动力加速喷射产生推力的，目前还处于实验室研究阶段。
我国火箭发动机近些年来取得了瞩目的成果，成功研制并应用了50吨级的YF-77燃气发生器循环氢氧发动机、120吨级的YF-100分级燃烧循环液氧煤油发动机等一系列优秀的发动机。但放眼全球，我国的发动机技术仍距世界一流水平有很大差距。航天振兴，动力先行。望航天动力人不骄不躁，继续努力，为我国进军太空提供更加强有力的支撑！
