发动机：火箭的心脏

如果说运载火箭是航天事业发展的基础，是托举航天器进入空间发挥作用的“天梯”，那么火箭发动机就是运载火箭的“心脏”，产生助推运载火箭进入空间的强大动力。要了解运载火箭，必须首先了解火箭发动机。

运载火箭的基础

可以说运载火箭的基础就是火箭发动机，之所以有火箭这种运输工具的分类，也是由于火箭发动机的工作原理不同于其他种类的发动机。

火箭发动机是一种完全利用自身携带的能源和工质，产生高温高压气体，经喷管膨胀加速为高速射流得到反作用推力的喷气发动机。其最显著的特点就是不使用大气层中的空气，具备无论在大气层中还是大气层以外的宇宙空间中都能工作的能力。

与之相对照的涡轮喷气发动机需要利用空气作为工质，自身携带燃料与吸入的空气燃烧，喷出高温燃气产生推力。而螺旋桨发动机自身携带的燃料则主要用于产生机械能，产生扭矩，带动螺旋桨在空气中产生气动力来运动。

火药与古代火箭发动机

尽管现代航天发源于西方，我国直到上世纪50年代才正式开创自己的航天事业，但如果认真论起辈分来，最早的火箭发动机可以说来源于中国。这就要归功于我国的四大发明之一的“火药”了。最早的火药也被称为黑火药，我国现在看到的第一部记载火药配方的书，大约成书于八、九世纪。硫磺、硝石与炭混合，这就是火药的配方。

火药在被外界能量引燃之后，自身能进行迅速而有规律的燃烧，同时产生大量的气体和热量。原来体积很小的固体火药，体积突然膨胀，猛增至几千倍。如果火药引燃时被密闭在容器内，就会发生爆炸；而如果火药引燃时产生的气体能够被有序地导引到一个方向排出，那就成为了火箭发动机。

据《宋史·兵记》记载，北宋开宝三年，即公元970年，兵部令史冯继升向宋太祖赵匡胤进献了火箭的制造方法。这种方法就是在箭杆前端绑缚火药筒，点燃后利用火药燃烧向后喷出气体的反作用力把箭簇射出，这是世界上最早的火箭。

综合来看，古代的火箭发动机只是由于火药的发明而产生的一种副产品，仅仅发挥了极其有限的作用。黑火药制成的古代火箭，其比冲一般在50～150秒左右，而现代火箭使用的液氢液氧火箭发动机，海平面比冲可达366秒，即使是现代的固体火箭发动机，比冲也达到了250秒以上。火箭发动机性能的提升，使得火箭可以用更轻的质量，实现更远的射程。

现代火箭发动机的发展

火箭发动机脱离蒙昧，获得科学理论指导，还要归功于火箭之父——俄国著名科学家康斯坦丁·齐奥尔科夫斯基。他在20世纪初，从理论上提出了消耗自身工质实现加速的火箭方程，奠定了火箭发动机的明确定义。通过理论推导，他提出了液体火箭发动机概念，并证明它是航天飞行最适宜的动力装置。这位科学巨匠甚至提出了涡轮泵、燃烧室再生冷却等液体火箭发动机关键设计构想。

此后的火箭发动机可以说进入了发展的快车道。美国的戈达德发明了世界上第一台液体火箭发动机，在1923年成功进行了世界上第一台汽油/液氧火箭发动机的地面点火试验。而远在德国的奥伯特也于1930年主持设计制造了欧洲第一种液体火箭发动机，但其推进剂使用的是液氧甲烷组合。

随着技术的不断进步，火箭发动机也发展出了多种类型。按照能源类型的不同，火箭发动机可以分为化学火箭发动机、电火箭发动机、核火箭发动机、太阳能火箭发动机、激光火箭发动机，还有设想中的光子火箭发动机。

目前应用最广泛的还是化学火箭发动机。化学火箭发动机的能源来自于所使用推进剂发生化学反应燃烧释放的化学能。化学火箭发动机又可以根据所使用推进剂的物理形态，分为液体火箭发动机、固体火箭发动机、混合火箭发动机、凝胶火箭发动机、膏体火箭发动机等类别。其中最为常见的就是液体火箭发动机和固体火箭发动机。

液体火箭发动机

液体火箭发动机目前广泛应用于各类运载火箭的主动力系统，其使用的推进剂包括液态的燃料和氧化剂，分别存放在各自的贮箱中，工作时由专用的输送系统输送到火箭发动机的推力室之中。液体火箭发动机常用的推进剂组合有液氢/液氧、偏二甲肼/四氧化二氮、煤油/液氧、甲烷/液氧等。

液体火箭发动机一般由推力室、推进剂供应系统、发动机控制系统组成。

推力室由喷注器、燃烧室、喷管组件等组成。推进剂通过喷注器注入燃烧室，经过雾化、蒸发、混合、燃烧等一系列过程，生成燃烧产物并释放大量热量。此时燃烧室内的温度可达到2500～4100℃，压强甚至可以达到30MPa。这些高温高压气体随后通过喷管膨胀并加速到每秒1800～4300米的高速喷出发动机。由于这些气体的温度约为钢熔点的两倍，所以液体火箭发动机上所有与高温燃气接触的表面都必须进行冷却或隔热。

推进剂供应系统的作用是按设计的流量和压强向燃烧室输送推进剂。按输送方式不同，有挤压式和泵压式两种。挤压式供应系统一般用于小推力发动机。大推力发动机一般使用泵压式供应系统，利用燃气涡轮泵提高推进剂压强。

发动机控制系统的作用是在发动机起动、工作、关机三个阶段，对推力大小、推进剂的混合比等工作参数进行调节和控制，确保其按照预定程序运行。

固体火箭发动机

固体火箭发动机主要用作火箭弹、导弹和探空火箭的发动机，以及航天器发射和飞机起飞的助推发动机，具有结构简单，推进剂密度大，日常使用方便可靠等优点。固体火箭发动机最突出的特点就是其推进剂全部以药柱的形式存放在发动机燃烧室内。药柱包含完全燃烧所需要的所有化学组分。一旦点燃，药柱通常以预定速率在所有暴露于高温燃气的表面上平稳燃烧，直到推进剂全部耗尽。通过设计药柱的形状，可以控制燃烧物产生的速率，进而控制固体火箭发动机的推力。

除了药柱、燃烧室，固体火箭发动机还包括喷管组件和点火装置等。点火装置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。固体火箭发动机喷管除了使燃气膨胀加速产生推力外，还经常安装柔性组件，与伺服控制系统一起控制燃气喷射角度，进而实现推力方向的控制。