异类:英国的过氧化氢火箭发动机

来源:百度文库 编辑:超级军网 时间:2024/04/29 04:34:30
对于20世纪40~50年代的火箭研究,我们经常将目光聚集到纳粹德国,以及后来的美国与苏联身上,而英国却几乎被完全忽视。实际上,英国也得到了V-2导弹,并进行了试射。在50年代,英国有自己的中程导弹的研发计划,而美国空军将雷神导弹部署到英国后,这项计划最终被取消。让我们回到半个世纪前,看看英国在火箭技术上的一些尝试。

我们现在所熟悉的液体火箭发动机,推进剂基本上都由氧化剂和燃料所组成,然而还有一种推进剂被称为单元推进剂,最典型的单元推进剂就是双氧水,学名是过氧化氢(H2O2)。过氧化氢非常不稳定,很容易分解成水和氧气2 H2O2 = 2 H2O + O2。在实验室中为了加速这一反应,会使用催化剂,例如锈铁钉或者二氧化锰(MnO2)。在V-2导弹上,双氧水单元推进剂被用来驱动一个涡轮泵,以便提高推进剂的泵送速度。而英国人则发现,镀银的镍网也可以充当催化剂,双氧水泵送通过滤网后迅速分解,生成的氧气为燃料助燃。

在白金汉郡维斯科特(Westcott in Buckinghamsire)的火箭推进研究所(Rocket Propulsion Establishment),研制了第一种双氧水火箭发动机,这就是Gamma发动机。不过,催化剂的活性是有时间限制的,只有2两个小时,而由于双氧水本身会缓慢分解,其寿命也只有20个小时。因此催化滤网被设计成可迅速替换的。双氧水催化分解后的富氧蒸汽温度高达500摄氏度,这样可以自动点燃煤油,而燃气通过喷管喉缩时的温度则高达2300摄氏度,而排气温度则高达1100摄氏度。如果没有燃料供给,双氧水催化分解后的富氧蒸汽也能产生推力,但是会减少一半。

双氧水并不先进,因为能量较低,产生的比冲不足,只能达到240秒,而液氧-煤油则可以达到280秒,液氢-液氧则可以达到400秒。但是双氧水也有一些有点,最突出的就是不必低温储存。所有的火箭推进剂都具有危险性,但是双氧水相对而言是最低的,它没有毒性,一旦需要可以迅速排空。在战后,德哈维兰、阿姆斯特朗-西德利,和已经改称火箭推进部(RPD)的RPE都参与到双氧水火箭发动机的研制中来。对于20世纪40~50年代的火箭研究,我们经常将目光聚集到纳粹德国,以及后来的美国与苏联身上,而英国却几乎被完全忽视。实际上,英国也得到了V-2导弹,并进行了试射。在50年代,英国有自己的中程导弹的研发计划,而美国空军将雷神导弹部署到英国后,这项计划最终被取消。让我们回到半个世纪前,看看英国在火箭技术上的一些尝试。

我们现在所熟悉的液体火箭发动机,推进剂基本上都由氧化剂和燃料所组成,然而还有一种推进剂被称为单元推进剂,最典型的单元推进剂就是双氧水,学名是过氧化氢(H2O2)。过氧化氢非常不稳定,很容易分解成水和氧气2 H2O2 = 2 H2O + O2。在实验室中为了加速这一反应,会使用催化剂,例如锈铁钉或者二氧化锰(MnO2)。在V-2导弹上,双氧水单元推进剂被用来驱动一个涡轮泵,以便提高推进剂的泵送速度。而英国人则发现,镀银的镍网也可以充当催化剂,双氧水泵送通过滤网后迅速分解,生成的氧气为燃料助燃。

在白金汉郡维斯科特(Westcott in Buckinghamsire)的火箭推进研究所(Rocket Propulsion Establishment),研制了第一种双氧水火箭发动机,这就是Gamma发动机。不过,催化剂的活性是有时间限制的,只有2两个小时,而由于双氧水本身会缓慢分解,其寿命也只有20个小时。因此催化滤网被设计成可迅速替换的。双氧水催化分解后的富氧蒸汽温度高达500摄氏度,这样可以自动点燃煤油,而燃气通过喷管喉缩时的温度则高达2300摄氏度,而排气温度则高达1100摄氏度。如果没有燃料供给,双氧水催化分解后的富氧蒸汽也能产生推力,但是会减少一半。

双氧水并不先进,因为能量较低,产生的比冲不足,只能达到240秒,而液氧-煤油则可以达到280秒,液氢-液氧则可以达到400秒。但是双氧水也有一些有点,最突出的就是不必低温储存。所有的火箭推进剂都具有危险性,但是双氧水相对而言是最低的,它没有毒性,一旦需要可以迅速排空。在战后,德哈维兰、阿姆斯特朗-西德利,和已经改称火箭推进部(RPD)的RPE都参与到双氧水火箭发动机的研制中来。
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调皮鬼(Sprite)是一种助飞火箭,计划安装在彗星客机或者3V轰炸机上,以缩短起飞距离。这是一种单元推进剂,只使用双氧水。而超级调皮鬼(Super Sprite),则增加了煤油。由于喷气发动机技术的飞速发展,调皮鬼助飞火箭失去了意义,只进行了测试但未投入使用。
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鬼性(Spectre)发动机由德哈维兰公司研制,该发动机的燃烧室具有夹套,双氧水在夹套内流动为燃烧室降温,这实际上是后来再生冷却发动机的雏形。发动机的高温部件采用了不锈钢和镍。在燃烧室的顶部安装有催化装置,但图上的发动机被移除了。该发动机被安装在了SR 53火箭动力截击机上。
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德哈维兰的双鬼性(Double Spectre)并联了两个鬼性发动机,曾安装在阿瓦罗的蓝天使(Blue Steel)导弹上接受测试。鬼性和双鬼性发动机的照片都来自于维尔特郡布罗顿的科学博物馆。
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现在我们来看几个大家伙,Gamma 201黑骑士发动机具有4个燃烧室,额定燃烧时间40秒,在RPE测试时曾持续了50秒。Gamma 201的燃烧室正是RPE研发的。Gamma 201的每个喷管都能向一个方向摆动,因此具有姿态控制能力。发动机双氧水和煤油的燃烧混合比是8.2 : 1。
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Gamma 301安装在后期型的黑骑士发动机上,该发动机派生自元老(Stentor)发动机。RPE研制的燃烧室同样也具有夹套,类似上面的鬼性发动机。
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这是Gamma 301发动机的静态测试,测试工作由阿姆斯特朗·西德利公司负责。由于煤油的混合比较低,因此喷流看上去非常干净。Gamma 301较201的燃料混合控制更好,也具有更高的推力。安装Gamma 301的黑骑士火箭,起飞推力为21000磅,而安装Gamma 201的早期型只有16400磅。
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英国其实也开发过自己的航天运载工具,Gamma 8正是为这一需求开发的,安装在黑箭(Black Arrow)火箭上。Gamma 8以其8个推力室而得名,而火箭第二级上还有两个推力室。合并后的布里斯托尔·西德利公司原本建议在黑箭火箭上安装4台元老发动机的推力室,后者可以达到25000磅,而Gamma的推力室单个只有约6000磅,但是Gamma 8更便宜。
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这就是黑箭火箭的第二级发动机,换用了高空喷管
呵呵,原来我说的那个双氧水的发动机还真有人搞啊。还以为只有我一个人在那里做梦的。:handshake
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这就是前面提到的元老发动机,原本是为蓝天使空地导弹研制的。元老发动机有一大和一小两个推力室,爬升过程中同时工作,巡航过程中只有小推力室工作。元老发动机的推力在24000磅~25000磅左右,对于航天发射来说已经可以考虑了,但是皇家空军最后选择了并联8台Gamma发动机的推力室。
stentor2[1].jpg

这就是阿姆斯特朗·西德利德生产线,我们可以很容易了解元老发动机的尺寸,另外发动机顶部有标注为氮气的气瓶,这应当是发动机启动装置的气瓶。


这就是黑箭火箭
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这就是安装元老火箭的黑箭火箭方案……
过氧化氢作为单组元或者双组元的推进剂一直有应用,比如喷气背包就是单组元的过氧化氢。

原帖由 gmt+ 于 2008-10-1 12:22 发表
呵呵,原来我说的那个双氧水的发动机还真有人搞啊。还以为只有我一个人在那里做梦的。:handshake
联盟飞船上不是也用过氧化氢发动机么?
奇怪的是为什么不用这种发动机代替混肼发动机呢?这个也能长时间储存呀
;P 参与X大奖的好几个项目都采用过氧化氢发动机,过氧化氢快速分解的催化剂用银最好。
根据生物化学教材上的数字,用酶比用银效率高上千倍…………:D
原帖由 纸飞机 于 2008-10-3 01:47 发表
根据生物化学教材上的数字,用酶比用银效率高上千倍…………:D

效率高但是反应时间长
原帖由 纸飞机 于 2008-10-3 01:23 发表
联盟飞船上不是也用过氧化氢发动机么?
奇怪的是为什么不用这种发动机代替混肼发动机呢?这个也能长时间储存呀

2个小时催化剂活性就没有了
dark_knight 发表于 2008-10-1 12:47
这就是安装元老火箭的黑箭火箭方案……
你是周小康?:D
纸飞机 发表于 2008-10-3 01:23
联盟飞船上不是也用过氧化氢发动机么?
奇怪的是为什么不用这种发动机代替混肼发动机呢?这个也能长时间储 ...
高浓度过氧化氢会自分解的,而且安全性实际上不好,以前过氧化氢用作AIP和鱼雷燃料试验中爆炸的事不少呢
纸飞机 发表于 2008-10-3 01:23
联盟飞船上不是也用过氧化氢发动机么?
奇怪的是为什么不用这种发动机代替混肼发动机呢?这个也能长时间储 ...
国内对过氧化氢火箭发动机有研究吗?
国内对过氧化氢火箭发动机有研究吗?
过氧化氢煤油,用于RCS发动机
SSN19 发表于 2012-7-1 14:14
高浓度过氧化氢会自分解的,而且安全性实际上不好,以前过氧化氢用作AIP和鱼雷燃料试验中爆炸的事不少呢
危险是危险,但是是可控的。这玩意国内做发动机试验好像没炸过。
eagleofhunan 发表于 2014-11-17 10:57
危险是危险,但是是可控的。这玩意国内做发动机试验好像没炸过。
国内这种发动机做到多大了?有资料吗?
zlaser 发表于 2014-11-17 12:35
国内这种发动机做到多大了?有资料吗?
好像姿控用得多些,基本上是几百公斤或更小。有以后当上面级换毒发的计划,但现在还没出来。
emellzzq 发表于 2014-11-17 13:49
好像姿控用得多些,基本上是几百公斤或更小。有以后当上面级换毒发的计划,但现在还没出来。
有没有用这玩意做大推力发动机,当运载火箭主发动机的计划?感觉这种火箭会比现在的液氧/煤油火箭便宜不少。
有没有用这玩意做大推力发动机,当运载火箭主发动机的计划?感觉这种火箭会比现在的液氧/煤油火箭便宜不 ...
便宜有啥用啊……
高浓度过氧化氢和液氧比不够看啊……
zlaser 发表于 2014-11-17 14:01
有没有用这玩意做大推力发动机,当运载火箭主发动机的计划?感觉这种火箭会比现在的液氧/煤油火箭便宜不 ...
人家用10吨燃料就能打入轨道的载荷,你100吨燃料都不行,你燃料便宜又有何用?何况燃料占火箭发射成本的比例极低,燃料便宜些意义本就不是很大。
这东西的出路就在于不求效率但需要反复起动的地方,不需要作以短击长的事。
emellzzq 发表于 2014-11-18 14:56
人家用10吨燃料就能打入轨道的载荷,你100吨燃料都不行,你燃料便宜又有何用?何况燃料占火箭发射成本的 ...
嗯,但是也拖了又拖才在澳大利亚搞了一发。
然后就没有然后了,留下的只有央格鲁撒克逊的特殊伙伴关系......
当年还吹要靠这玩意登月呢,说成本只需阿波罗计划的1/10......
emellzzq 发表于 2014-11-17 13:49
好像姿控用得多些,基本上是几百公斤或更小。有以后当上面级换毒发的计划,但现在还没出来。
姿控现在好像也不用这个。这玩意虽然试验时没出过事,但是贮存好像更麻烦,还不如用肼类,卫星在天上贮存几年都没问题。
这东西要装备了,约翰牛可不会有好日子过了
eagleofhunan 发表于 2014-11-19 09:07
姿控现在好像也不用这个。这玩意虽然试验时没出过事,但是贮存好像更麻烦,还不如用肼类,卫星在天上贮存 ...
其实我是觉得肼类挺好的,价格不太高、贮存不算难、比冲还过得去、对环境也没什么危害。
emellzzq 发表于 2014-11-19 11:28
其实我是觉得肼类挺好的,价格不太高、贮存不算难、比冲还过得去、对环境也没什么危害。
对人而言长期接触危险性还是不小的。一院下属医院专门研究这个的毒性的,好像是全国唯一。
高浓度过氧化氢能到多高?平时的双氧水是30%左右。
headbox 发表于 2014-11-19 13:46
高浓度过氧化氢能到多高?平时的双氧水是30%左右。
85%以上,高中做过低浓度双氧水+高锰酸钾的实验,那个场面至今难忘。
eagleofhunan 发表于 2014-11-19 13:12
对人而言长期接触危险性还是不小的。一院下属医院专门研究这个的毒性的,好像是全国唯一。
正常哪会长期接触?不正常情况下,除了煤油其它的还不都是不能让人长期接触的。不说别的就是液氧人都不能直接接触啊。只管气密的防护服怎么也比还要抗低温的容易啊。
emellzzq 发表于 2014-11-19 14:17
正常哪会长期接触?不正常情况下,除了煤油其它的还不都是不能让人长期接触的。不说别的就是液氧人都不能 ...
101有个试验台的40多岁就办追悼会了,那几年D4发动机试车比较密集。
eagleofhunan 发表于 2014-11-19 17:31
101有个试验台的40多岁就办追悼会了,那几年D4发动机试车比较密集。
那是过劳死的吧?
不过我国忙起来就不按规定办的不在少数,这时候肼类的危险性确实是个问题。