主题：【原创】中山国的故事-飞龙在天 000序章--籍田 上 -- 淡泊

“讲火箭的的发展，有两个人是怎么都要提到的。这两个人不包括传说中拿着两只风筝坐在火箭椅子上的王古，也不包括第一个做出实用的液体火箭的戈达德，或者说在戈达德基础上发展出V-2火箭理论的赫尔曼.奥伯特，我们要说的是公认的宇宙航行之父——齐奥尔科夫斯基——虽然没听说过他哪怕做出过一枚真正的火箭。另一个人是密歇尔斯基，他推导出了每个火箭工程师都要用的的密歇尔斯基公式，在他推出这个公式的时候我们都不清楚他是否想到了这个可以用在火箭上面，现在看到的资料都是说密歇尔斯基当时在研究质量改变时候物体的运动力学，质量改变包括质量增加，比如地球上落下流星导致重量增加，质量减少，比如彗星的运动——因为不断蒸发而损失质量，也包括质量时而增加时而减少，比如冰山冻结和融化。”台上的孙喜堂在侃侃而谈。

钱马壮很喜欢这小子，或许是因为这小子身上的天塌下来，只当被盖的性格是自己非常想有却没有的缘故。这小子不是火箭工程系里最聪明能干的，但是钱马壮一向象看护子侄一样护着这小子。而实际上，如果没有钱马壮有意无意地照顾，火箭工程系几年前就没孙喜堂这号人了。

“但是密歇尔斯基无心插柳的结果却为火箭动力学提供了理论基础，火箭和炮弹不同，它一边运动，一边质量会发生改变，因为把推进剂烧掉喷出来了。太子有什么话要说？”孙喜堂看到米然风举起了手。

米然风站了起来：“有些炮弹也会改变质量，底排弹——炮弹底部有一块缓燃火药，在飞行中是不断减小的。”

钱马壮有想笑的感觉，报应啊报应，孙喜堂这小家伙最喜欢抬杠，今天碰到别人抬他的杠了。

“好吧，我的例子举的不恰当，我应该说，火箭和枪弹不同...”

"曳光弹..."米然风再次打断。

“火箭和手扔出来的石块不同，太子没意见了吧。”孙喜堂没有一点生气的表情，反而看起来很陶醉于这种抬杠。米然风则洋洋得意地坐下。

“在飞行中会改变质量，对这种运动形式，密歇尔斯基对它进行了充分的研究，虽然他当时主要研究的是彗星或者流星，改变的质量不用于对运动产生推力。但是，他的密歇尔斯基公式仍然给出了适用于火箭的微分方程。”孙喜堂说完在黑板上写下了密歇尔斯基公式。

“火箭在太空运行时，外力可以忽略，我们把外力取为零后进行积分，”孙喜堂又在黑板上写下一个公式，“得到的就是齐奥尔科夫斯基公式。这个公式又被称为火箭理想速度公式，从这个公式中我们可以看到，火箭的关机时刻的速度和两个因素相关：第一个是喷气速度，第二个是火箭最初质量和火箭关机时刻的质量的比值。这两者都是越大，则火箭关机时刻的速度就越大，尤其是前者，直接和关机时刻速度成正比，后者则是其自然对数和关机速度成正比。”

“根据这个公式，为了达到发射卫星所需要的高速，我们就明确火箭的方向了,太子又有什么问题？”

“刚才老师说了，齐奥尔科夫斯基公式是适用于外力为0的情况，真实发射火箭的时候，外力怎么可能为零？至少也有重力起作用吧。”米然风坏笑着问道。

“太子的想法是对的，但是我们可以换个思路，假设火箭在地面一个真空的管道里面架在铁轨上发射，这样重力被铁轨的支撑力平衡，那么我们就可以用齐奥尔科夫斯基公式计算出火箭不断加速后的最终动能，用这个最终能能减去卫星入轨高度的势能，那就是卫星的入轨动能，换算过来，就可以得到卫星的入轨速度。动能减去势能说的直白一点就是卫星在升高的过程中速度不断降低而高度不断升高，这个转换过程总能量是不变的。当然，总能量里面也包括火箭因为在大气中摩擦而产生的热能，因为真实发射的时候在低高度的稠密大气中火箭的飞行速度并不大，所以大气阻力带来的动能消耗和轨道高度对应的势能来说应该是个可以忽略的小量。”孙喜堂胸有成竹地回答道。钱马壮想，这家伙肯定早就和他自己抬过这个杠了。

“好了，我们接着说齐奥尔科夫斯基公式，这个公式说明，要提高火箭的最终速度，有两个办法，第一个是提高排气的速度，这个很容易想象，喷气速度高，同样质量的气体就可以对火箭产生更大的冲量，这个主要是用高比冲的燃料和尽量让气体充分膨胀达到的...禾尚书请问吧。”

禾青壮放下手，问道：“比冲是什么？”

“在中学我们都学过冲量动量定律，对一个物体施加的力量和施加的时间的乘积叫做冲量，这个物体因此获得一个沿着施加力量方向的速度，物体的质量和速度的乘积就是动量。所以，冲量代表了改变物体速度的能力。对火箭来说，比冲就是总冲除以燃料质量，总冲就是发动机提供的总的冲量，等于发动机推力对时间的积分，如果发动机推力不变，就等于发动机推力与发动机工作时间的乘积。所以比冲就代表燃料的使用效率，每公斤燃料可以给火箭最后的速度做多大贡献。”

“很显然，同样质量的燃料，比冲越大包含的能量越高，而气体膨胀越充分，就能让更多的热能转换为喷出气体的动能，也就是喷气速度，不过一般因为喷管长度结构重量的限制，这个膨胀不能无限增大，但是也有例外，比如白头鹰航天飞机的喷管，膨胀比就达到了罕见的一比七十七。”

“第二个途径是增大燃料在火箭中占的质量比例，这个道理也不难想明白，喷气产生的冲量是转化为火箭剩余质量的动量的，剩余燃料占用这部分动量那是没有办法，下面你还要用它继续产生推力，可是火箭结构质量是不会产生推力的，而且到最后也不是我们要发射入轨的东西，在它上面浪费动量就显得很吃亏。根据这个思路，齐奥尔科夫斯基天才地想到了多级火箭，这个有点相当于发射后随着燃料的减少，把空的燃料桶扔掉减少结构重量，从而提高了余下航程的推进剂的质量占比。当然，如果有本事把火箭的结构质量做的轻一些当然也是一个办法，但是因为火箭本身的结构质量并不大，结构设计上能挖的潜力不会太大，在这上面想办法远远不如在高能燃料或者更高效率的利用喷出的气体上想办法。”

“说到更高效率的利用喷出的气体，我们先来明确一些容易产生误解的观点，首先，液体化学火箭不是燃料利用效率最高的发动机。火箭的燃料效率是用比冲来衡量的，比如说，一般固体化学火箭发动机的比冲在两千六百米每秒左右，液体火箭发动机氧化剂用四氧化二氮，还原剂用偏二甲肼可以做到两千五百米每秒左右，液氢液氧可以做到四千多米每秒。涡轮喷气发动机的比冲在四万多米每秒，涡扇则可以做到五万多米每秒，冲压发动机的比冲在一万四左右。所以，液体化学火箭的燃料效率并不是最高的，冲压发动机就要比它的比冲高4到6倍，部分种类的电火箭比冲更是比它高出上万倍。”

“看起来冲压发动机的燃料效率也一般啊，那为什么我们有些导弹还要用冲压发动机？既然涡喷这种号称吃油大户的发动机都远胜冲压发动机的比冲？另外，孙老师刚才说冲压发动机的比冲比液体火箭发动机高4到6倍，可是比1万四低四到六倍的范围是两千三到三千五，和四氧化二氮/偏二甲肼对的上，但是液氢液氧的四千多明显高于6倍的上限啊。”这是鲑福超在问。

钱马壮站了起来，他有点怕孙喜堂对这个外行问题发挥他的调侃功力，得罪不能得罪的人，“因为小孙没有提到，这些比冲数字是各个发动机在他们常用工作条件下的值，比如液氢液氧火箭是真空比冲值，因为他们用在运载火箭的第三级上，那时候已经飞出了大气层，而第一，二级火箭一般用的肼基或者烃基——象煤油就是烃基的，在地面发射的时候，四氧化二氮/偏二甲肼液体火箭就只有两千五百多米每秒，如果在真空中，它就能达到三千米每秒。真空中比冲大的原因是这样的，火箭的推力来自两部分，第一部分就是喷出气体的动量带来的冲量，另一部分是火箭的压力差，这个压力差来自喷出的气体带来的喷口周围的压强增大，小孙前面说过，提高喷气速度的方法就是让气体充分膨胀，让热能转换为动能，但是受限于喷口设计，这个膨胀一定是不充分的，所以喷出的气体压力还是比较大的，由此带来的这个压力差一般可以用喷口压强减去周边环境压强乘以喷口面积算出来。在大气层里，这个周边环境压强就是这个高度下的大气压强，而真空中的周边环境压强显然为零，所以真空中火箭发动机的比冲就大些。”

“至于为什么我们在有的导弹上用涡喷涡扇，有的导弹上用冲压发动机，有的导弹上用火箭发动机，那是由他们的工作条件决定的。象涡喷涡扇和冲压发动机当然是在大气层里面才能用的发动机，所以装备在钢雹上面的MGM-1220战术导弹就不能用它，因为它有一部分动力飞行是在空气稀薄的高空进行的。而同样在大气层里面，我们在有些导弹上用冲压发动机的原因是，涡喷涡扇发动机在高速飞行的时候，它的比冲是不如冲压发动机的，在高速的时候它们的燃油消耗率增加的非常大，比冲值就下来了，在高速的时候比如说两倍音速以上，他们不但燃油消耗率比冲压发动机高的多，它们的推阻比也远小于冲压发动机。所以一般巡航导弹还是用涡喷涡扇发动机，但是高超音速对舰，对空导弹一般就要用冲压发动机了。”

“推阻比是什么？”鲑福超问道。

“推阻比就是推力阻力比，就是说发动机产生的推力和发动机本身因为产生推力而产生的阻力之比。刚才说的涡喷涡扇在高速时候推阻比会下降，就是说涡喷涡扇在高速的时候每产生一公斤推力，发动机本身产生的阻力比低速的时候要高的多了，和冲压发动机相比，在同样的高速条件下冲压发动机每产生一公斤推力，冲压发动机发动机本身产生的阻力也比涡喷涡扇要低。”钱马壮回答道。

“涡喷涡扇的推阻比为什么会在高速的时候为什么会下降，液体火箭为什么做不到涡喷涡扇发动机那样高的比冲呢？”鲑福超接着问。

“这个啊，小孙回答一下这个问题吧。”这不是一个很低级的问题，孙喜堂应该会乐于回答。

孙喜堂的第一句话就让钱马壮吓了一跳，“这很简单啊...”

还好下面孙喜堂没有再乱说话：“化学火箭发动机需要自带氧化剂，在液氢液氧火箭里面，氧的原子量是16，氢才1，两个氢分子和一个氧分子反应，也就是说两者的质量比是1比8，所以液氢液氧燃料里面液氧占了89%的重量。其他的燃料没有这么极端，但是道理也是同样的，氧化剂占了燃料重量的大头，很容易想象这一点，氢氦锂铍錋碳氮氧，烃基和肼基燃料里面的碳元素，氢元素和氮元素原子量都比氧小。而涡喷涡扇冲压发动机的氧化剂来自空气里面的氧气，不占燃料重量，比冲自然就要高一些。至于涡喷涡扇高速性能不如冲压发动机，那是由他们的工作原理决定的，在低速条件下，从进气口自然流入的进气量是不足以让冲压发动机工作的，所以低速的情况下我们无法使用冲压发动机。而涡喷涡扇发动机用燃烧室的高温燃气来推动涡轮旋转，通过一根轴带动前面的压气机吸入更多的空气来满足大推力对进气量的需求，所以低速的时候，涡喷发动机也能正常工作，涡扇发动机和涡喷发动机类似，但是它更是增加一级风扇从外涵道吸进更多空气混到燃烧室喷出的气体里面增加不燃烧的工作气体，这些气体会吸收高温燃气的热量而膨胀加速，让更多的热量变成喷出气体的动能，自然就比涡喷还要省油一些。总的来说，涡喷涡扇发动机因为受限制于涡轮叶片材料的高温性能，所以燃烧室的温度是有限的，结果就是推力不如冲压发动机，但是同样的膨胀比，它的喷气温度也低于冲压发动机，换句话说，就是这两种发动机的燃料燃烧热量更多的转换为喷气速度而不是喷气温度。所以它们的比冲就比冲压发动机要高了。但是在高速条件下，从进气道冲压进来的空气流量本身就足以满足发动机的工作要求，所以在低速时候的功臣，那些压气机，风扇就反而成了累赘，不但会产生很大的阻力，大大降低了发动机的推阻比，还阻拦了冲压进来的空气，比同样条件下光秃秃进气道的冲压发动机进气流量要小，这时候为了保持飞行状态——因为速度增加，空气阻力增加了——涡喷涡扇不得不向燃烧室喷更多的油来获得更多的推力，这和大家开越野吉普爬坡的时候有点象，哪怕油比空气多，不能完全燃烧，但是喷更多的油还是能不成比例的提高一点发动机扭矩，那时候你看到的排气管的黑烟就是不完全燃烧的碳粒。在这种情况下，涡喷涡扇当然就不如能充分利用燃料的冲压发动机了,所以这时候就轮到涡喷涡扇燃油消耗率大了。而且风扇叶片，压气机叶片，涡轮叶片在这种情况下增加的阻力也大大降低了这两种发动机的推阻比。所以它们的推阻比在这个时候也是比不上冲压发动机的。现在有些人想结合这两类发动机的优点，避免他们的缺点，他们的成果被称作变循环发动机，基本思路就是低速的时候工作在涡喷状态，高速的时候或者通过关闭涡喷的进气通道，或者收起叶片进入冲压发动机工作状态。白头鹰在这方面技术是最领先的。”

“既然化学火箭在有大气的条件下不如涡喷涡扇冲压发动机，那么火箭的第一级能不能使用这些比冲更大的发动机呢？”米然风问道。

“这个倒是没有人试过，第一个原因是这些发动机需要进气流场尽可能的平顺，而第一级发动机在火箭中必然是安装在最下面，因为它先点火，喷口下面不能有东西挡着，另外在最下面也方便在用完的时候抛掉，这样，经过前面长长的一二级火箭的干扰后的空气流场里面应该是糟糕的一塌糊涂，这种情况下这些发动机的工作水平就会大打折扣了。另外，因为大气飞行阻力大，所以虽然卫星最终需要的速度是和轨道相切的水平速度，发射卫星仍然会使用垂直发射，尽快钻出大气层，然后火箭才会转弯逐渐改成水平。而涡喷涡扇这样的发动机在高度稍微高一点比如两万米上空，效率就很差了，冲压发动机能好一点，但是也很有限。”孙喜堂解释道。

工部尚书鲑伯水也举手，在孙喜堂点头后问：“刚才孙老师说液氢液氧发动机的比冲比肼燃料发动机比冲大，真空比冲两者差了1000米每秒，那也就是说就算都在大气层内，它也应该要高的多，那为什么运载火箭的第一级不能使用液氢液氧发动机？”

孙喜堂笑道：“没说过运载火箭的第一级不能使用液氢液氧发动机啊，实际上膏药国的火土A火箭的第一级就是液氢液氧的。虽然一个事实是全世界大部分三级火箭的第一级不是液氢液氧的，大家很少这么用是因为液氢液氧的制备储存运输加注都比一般的液体燃料贵的多，第一级火箭装的燃料多，所以象膏药国那种土豪才用得起。实际上液氢液氧在大气层中使用有个缺点，因为液氢比重小，所以虽然从重量上来说它的比冲大，但是产生同样推力的液氢比起肼基烃基燃料体积大多了。而体积在大气层内飞行器里面就意味着大的横截面积，或者叫做迎风面积，这个和阻力是成正比的。”

“那火箭不能做的横截面积不加大，长度加长一点吗？”连礼部的种尚书对这堂课有兴趣了，也提了一个问题。

“结构设计里面短粗的舱段受力会更好一些，细长的就需要用更多的结构重量来换强度和稳定性。”这是工部尚书鲑伯水回答的，人家是结构工程师出身，对这些并不外行。

“鲑伯水尚书说的对，”孙喜堂点头道：“细长的火箭，就算强度足够，振动也会比短粗的火箭要大。”他抓起讲台上的教鞭，一手抓住教鞭一头，然后抓着教鞭底部的手象上推，教鞭象弓一样拱起，他松开抓住教鞭头的手，教鞭就猛的左右幅度很大的晃动起来了。然后他重新抓住教鞭中间稳住教鞭，另一手在教鞭底部向上用力推，教鞭再次一半的长度向一侧弯了过去，他松开抓住教鞭中间的手，教鞭忽的一声晃了起来，但幅度明显小多了。“火箭就和这个一样，越细长，重心距离推力的来源——喷管——就越远。火箭发射时候的振动就越大。所以，虽然细长的火箭在大气层内有阻力低的优势，但是我们前面说了，火箭垂直发射，在稠密大气中运行的时间不长，而且火箭的初始速度不大，所以火箭的长细比从设计上来说并不是越大越好。”

“我们已经提到了，在太空飞行，因为没有空气，所以象涡喷涡扇冲压这样需要空气里面氧气的发动机是不能用的，这很容易给我们一个感觉，太空旅行，化学火箭是唯一的选择。实际上并非如此，有很多其他可以在太空工作的发动机。比如电火箭，核火箭和太阳能火箭，而且一些听起来像是科幻小说里面的电火箭和核火箭实际上已经投入实用几十年了。”孙喜堂兴高采烈地讲道，钱马壮知道这是他最喜欢的题目，事实上一切带有科幻色彩的项目都是孙喜堂的最爱。

“电火箭已经实际使用了几十年而且比冲比化学火箭高的多吗？”这是鲑福超在问，实用而且燃料利用效率高，对省钱极为敏感的户部尚书当然会感兴趣了。没有哪个大臣会问核火箭的，这个在钱马壮的意料之中，御史中丞禾清壮的弟弟禾小壮是出名的激进环保分子，谁也不愿意成为绿禾组织的靶子。

“是的，但是电火箭目前推力还做不大，所以只用在卫星轨道提升和姿态调整上面。因为说起来大部分卫星都是运行在大气层里面的，虽然几百公里的高度已经接近真空，但是毕竟还不是真空，卫星因为和大气的摩擦速度还是会下降，轨道就越来越低。所以有个能长期工作的小火箭对它提升轨道对卫星的寿命很有好处。”

“在太空，目前还只有靠牛顿第三定律，抛出一定速度的物质来产生反作用力，或者说的直白一点，在太空还只能靠向后喷气来产生推力。电火箭的第一种就是用电来加热进入推力室的气体如肼或者氨什么的，气体受热产生压力然后通过喷管膨胀产生速度来推动火箭。它的电力来自太阳能，燃料比冲可以做到六千到一万米每秒，但是电加热的电火箭因为喷出气体温度高，所以能量损失很大，能量转化为推力的只有40%左右。相比而言，静电型电火箭的能量利用效率就高的多，它用阴极发射电子轰击金属靶板产生重金属离子，再用这些重金属离子轰击要喷出的气体，把气体电离成离子，然后用电场加速被电离的气体离子，因为可以把离子加速到高达三万到三十万米每秒的速度，所以它的比冲可以达到十万米每秒，但是因为电离工质气体产生的离子数量有限，所以这种火箭的推力在0.001到0.05公斤的范围内，但是因为能量转化效率高，工质——就是最后打出去的那些离子——消耗少，所以工作时间长，能够用于深空飞行——1998年，白头鹰的深空一号探测器就使用了这种发动机作为主推力发动机，这种发动机的主要缺点是用电子轰击靶板产生重离子电离气体，靶板会有消耗，有时候火箭寿命会很荒谬地由靶板的消耗而不是工质的消耗而定。三种电火箭里面最后一种——电磁型电火箭推力最大，它用高温或者脉冲放电的电火花把工质电离成等离子体，我们知道等离子体是导电的，电流从外壳通过等离子体流向火箭中心的金属棍子负极，在电流流过等离子体的时候，等离子体受到外加的磁场或者巧妙设置电极让内部电流产生的磁场作用被加速推出而产生推力——就象通电后电动机的转子受到的力量一样，这种火箭的推力可以做到一到十公斤，虽然现在还仅仅出现在实验室里，但是一般认为它就是未来的深空飞行用的发动机。”孙喜堂一脸憧憬地说着。

鲑福超却难掩失望的表情：“深空飞行，离咱们还远着呢。10公斤推力，看来这种发动机没法用在发射的时候了。”

鲑伯水突然道：“孙老师提到的怎么只有高温或者脉冲放电产生等离子体？难道研究火箭的不知道可以用圆号装置来激发等离子体吗？比起电子流或者电弧，电极没什么损失，至少寿命长些，而且，他可以在在0.1帕斯卡的低压下每立方米可以产生十的十九到二十次方个电子，除了核聚变的高温，这恐怕是目前激发等离子体效率最高的设备。”

孙喜堂一脸茫然，求助地看向钱马壮，钱马壮笑了笑，站起来道：“鲑伯水尚书果然博闻强记，用圆号装置激发等离子体进行电磁推进的概念在1990年才出现，到1998年，他们才在白头鹰的先进空间推力实验室开始试验可变比冲磁等离子火箭，也就是所谓的VASIMR。做VASIMR试验的先进空间推力实验室也是在1995年才成立的。试验装置就以VASIMR试验命名，缩写为VX。1998年他们才开始试验十千瓦VASIMR——VX-10，设备名里面的数字就是设备的功率。今年他们正在试验VX-25，听说他们的目标是VX-50。不过到目前为止，VX设备还没有产生能够被测量的推力。所以小孙他们还没有听说过也不奇怪，一般的书籍里面也没有提到过。”

米然风笑道：“VX，倒像是一种军用毒气。”

钱马壮解释道：“装置的命名是VASIMR试验设备，VX就是VASIMR experiment的缩写。”

鲑福超带着一丝希望问道：“那这种电火箭前景如何？”

钱马壮想了想，道：“作为地面发射的肯定不行，做为无重力条件下飞行的推力装置要等等看。以他们的目标50千瓦为例子，现在据说圆号装置在电离等离子体时候的能量效率在百分之九十左右，目前的电磁推进效率最高也不到百分之六十五，也就是说他们的系统的能量转换效率不会超过百分之五十八点五，我这还没有考虑太阳能电池板的直流电转换成射频输出的效率——因为圆号装置需要射频能量输入。另外，按照他们的说法，射频加磁场可以把等离子体加速到三万米每秒到五十万米每秒。我就用他们推力最大的的三万米每秒这个数字计算，50千瓦，也就是每秒5万焦耳，百分之五十八点五的效率，按照百分之六十就是3万焦耳，喷射出来的等离子体能量等于二分之一质量乘以速度的平方，所以它的动量就是两倍能量除以速度，按照冲量等于动量，时间长度是一秒，所以推力也就是两牛顿，大概零点二公斤。”

鲑福超疑惑道：“那不是和其他电火箭差不多吗，为什么还要等等看呢？是因为它现在还没有成功产生推力吗？”

钱马壮道：“那倒不是，这个东西的原理没什么问题，随着试验进一步完善，迟早会产生推力，我说的要等等看是因为大推力电火箭的通病，对电力能源的需求太过贪婪。现在最大的人造在轨设备是国际空间站，但是就算国际空间站建成，它的太阳能电池板总共也不过能提供100千瓦的功率，难道一半都给这具电火箭用？所以，在核反应堆作为航天能源之前，接近1牛顿推力级别的电火箭都还只是实验室的东西。”

鲑福超若有所思，道：“也就是说电火箭是在轨飞行的火箭，不是用来入轨的火箭，孙老师继续讲入轨的火箭吧。”

孙喜堂看起来蛮兴奋，钱马壮知道会后他肯定回来找自己打听VASIMR的细节，然后在这个上面“不务正业”，但是这种“不务正业”却是钱马壮所鼓励的。

“液体火箭分这么几个部分，”孙喜堂接着讲，“第一部分是推力室，包括把燃料和氧化剂喷进燃烧室充分雾化混合的喷注器——主要结构就是个喷嘴。推力室体积最大的部件一般是燃烧室，为了充分燃烧，燃烧室的容积要尽可能大，因为燃烧会承受高压，燃烧室需要有足够的强度，同时为了减重，燃烧室表面积要尽可能小，壁厚要尽量薄，所以大型火箭的燃烧室一般都是球形或者椭球形，小火箭为了简化工艺有些会用圆筒燃烧室。喷口我们前面提到了，设计的原则是让高温高压气体充分膨胀，制造上钟形喷管比锥形喷管难些，但是钟形喷管因为出口的时候管壁更直一些，推力损失会小一些。推力室设计有一点要特别注意，因为推力室各个部件都暴露在高温燃气下面工作，所以要有冷却设计，现在的通用设计是燃料进入喷注器钱先通过安装在推力室组件外面的管路，这种降温方式一举两得，一个是降温，一个是燃料吸取热量后注入燃烧室，这部分热量里面包含的能量不会被浪费。”

“另外，火箭需要能够进行姿态控制，因为火箭主要在大气层外飞行，所以主要靠控制喷气方向产生方向和滚转控制。这个叫做矢量推进控制，”孙喜堂说到这里笑了，“航空发动机这两年在热炒矢量推进姿态控制概念，说的好像没这玩意就不是第四代战斗机一样，其实在我们火箭上早八辈子就实现了。我们控制喷气方向可以通过偏转喷管，也可以直接偏转从燃烧室到喷管的一整套设备，直接偏转喷管因为偏转的部件小，所以需要的偏转力矩小，作动机构可以做的比较小，比较轻，但是喷口那里承受高温高压燃气，在偏转中不能出现泄漏，难度很高。相比较而言，直接偏燃烧室到喷管的一整套设备在技术上容易实现的多，但是要偏转的东西就重多了，这就导致作动机构大而且重。发动机喷口布置主要有两种，一种是四个主喷口十字布置，另一种是一个主发动机喷口中央布置，两个辅助发动机喷口和主发动机成一线两侧配置。都可以达成控制的目的。”

“液体火箭和固体火箭不同，液体火箭可以在运行中停机，调节推力大小，固体火箭就很难做到。因为液体火箭的燃料和氧化剂是要靠火箭上的推进剂输送系统打到推力室的，停止输送就停机了，加大输送量就提高了推力。固体火箭不需要推进剂输送系统，一根药柱点燃后从头烧到尾。要想多次启动，就得用多根药柱，药柱间用防火材料隔开，用多个点火元件来分别点火。推进剂输送系统给液体火箭带来的更多的控制能力，但是也因为多了这套系统，液体火箭比固体火箭复杂，另外固体比液体比重大，这样就导致同样总冲的火箭，液体火箭体积要大一些，所以对火箭体积有要求的比如潜射弹道导弹基本上用的是固体火箭发动机。液体火箭的推进剂输送系统主要分挤压式和泵式两种，挤压式的就是用携带的压缩氮气或者用其他方法得到的高压气体打入燃料箱和氧化剂箱，把推进剂压到推力室，这种方法简单，但是提供的增压有限，所以只适用于推力小的火箭比如姿态控制火箭。稍微有点自尊的火箭都会用泵式系统，它是用燃气推动涡轮泵转动，给推进剂加压，涡轮泵用的燃气在用完后或者直接进入喷管喷出，或者先进到燃烧室进行再次补充燃烧，象白头鹰的航天飞机的涡轮泵废气就是进的燃烧室补燃。液体火箭的最后一个主要组成部件是燃料贮存箱和氧化剂贮存箱，因为燃料和氧化剂靠涡轮泵增压打进推力室，所以这些贮存箱本身并不需要很大的压强，箱体压强一般在3到5个大气压就足够把他们压进涡轮泵了，所以贮存箱可以做的比较轻。哦，太子又有问题了，说吧。”

“你说的煤油，肼之类的燃料恐怕不用很大压强，”米然风不以为然地站起来道：“难道液氢液氧的贮存箱也可以只用承受那么一点压力，别开玩笑了，我曾经用枪打爆过氧气罐，它的碎片的厚度可一点都不薄。”

“那是氧气罐，我们谈的是火箭的推进剂贮存箱，两者的区别是一个装的是高压气体，一个装的是液氢液氧。”孙喜堂笑道：“蒸汽机里面的蒸汽压强很大，可是水的压强就谈不上了，液氢液氧贮存箱里面的温度很低，而且壳体是象保温瓶一样的抽真空绝热壳体，所以里面压强并不像高压氧气罐一样大。”

“就算保温瓶，时间长了温度也上去了吧。”米然风继续质疑。

“没错，所以液氢液氧推进剂是不可贮存推进剂。平常不保存的，发射前才制备出来加注。”孙喜堂回答道。

“那加注过程中蒸发产生的蒸汽压强呢，不管了？”米然风接着问。

“蒸发本身就会吸收热量，把贮存箱升上来的温度又降回去，至于蒸发产生的气体，抽掉就是了。因为这个损失在液氢液氧的使用中叫做蒸发损失，现在液氢液氧里面很多技术比如胶氢什么的就是为了降低这个损失，损失掉的部分是靠再制备出来再加注补充进去解决的。”孙喜堂回答道。

“没错，”鲑伯水也插嘴道：“咱们的天然气船也是这么干的，船上储存液态天然气的罐子不承受多大压强，蒸发出来的天然气直接抽出来降温加压再压成液态灌回去或者直接用船上的发动机当燃料烧掉。”

孙喜堂向鲑伯水点了点头表示感谢，然后向听众问道：“推进剂贮存箱大家还有什么问题吗？没有了我们就来说说齐奥尔科夫斯基的天才设想，多级火箭。多级火箭的分离是靠爆炸螺栓切断两级之间的连接件来达成分离的，当然，要是在分离的时候爆炸螺栓没炸或者炸了却没有剪断连接件，那就悲剧了。所以为了提高分离的可靠性，一般一根连接件上会装两个或者两个以上爆炸螺栓，到时候只要任何一个成功都可以完成火箭的分离。按照分离方式还可以分为热分离和冷分离两种，热分离是爆炸螺栓剪断连接件之前上级火箭就点火了，在连接件被剪断后上级火箭把下一级吹掉，冷分离是先由爆炸螺栓剪断连接件，然后下级火箭开启制动火箭，就是反方向喷气的火箭把自己和上一级分开。”

“哪种分离方式好？”鲑福超问道。

“各有优缺点，热分离在下级火箭还在开机的时候点火，喷出的燃气会直接喷到下级火箭的燃料箱上，所以下级火箭的燃料箱顶要加防热罩，否则下级火箭烧炸了就完蛋了。另外，上级火箭点火到分离这一段烧的燃料是白白浪费的。而且吹掉下级火箭会对上级火箭的飞行状态造成一定干扰。它的好处是分离快而且可靠，结构简单，由于在下级还在工作的时候就进行点火，上级火箭还因为加速有轴向重力加速度，所以燃料有自然流向发动机的趋向，点火更加可靠些。”

“关于火箭，差不多就是这些了，大家还有什么问题吗？”孙喜堂大致回忆了一下，对火箭概论来说应该就是这些了。

李文刚回过头来看了一眼会场，用沙哑的声音道：“大家还有什么问题吗...没有了，好的，航天部成立大会今天到此结束。航天部的同事明天同样的时间在篮球馆开会，讨论技术路线选型，我们讨论的内容包括我们发展航天希望达成的目的，可以采用的技术路线，将会遇到的困难，我们的有利条件，希望航天部的同事们散会后对这些问题考虑一下，现在散会。”

米然风大声问道：“可以旁听明天的会议吗？”

李文刚笑了：“欢迎。”