火箭要垂直发射的原因
火箭有很多种，原始的火箭是将火药装在纸筒里，然后点燃发射出去，起初只是用于过年过节放烟火使用，或将燃烧物附在弓箭头上用做武器使用。下面学习啦给大家分析火箭要垂直发射的原因，希望能帮到大家。
火箭要垂直发射的原因
朋友!你是否曾去过酒泉的火箭发射基地呢?只见硕大的火箭矗立在发射架上，整装待发，就在起动时的一刹那，底部喷出一束炽烈的火光，其火箭径直冲向碧蓝的天空中。那幺为什么火箭要垂直发射呢?
其实火箭在起飞的一刹那要减轻火箭的重量，而且飞行过程中还要减少空气阻力。人们总是希望只消耗较少的能量便能使火箭平稳的起飞，并获得非常大的飞行速度。
发射台上的火箭起飞之后，如果推力大于重力，火箭才会慢慢且平稳地垂直上升，并逐渐快速飞向空中。假设不是垂直发射而是倾斜发射的，那幺火箭就一定在倾斜的发射架上滑行非常长的距离才能获得足够的起飞力量，以免很快掉到地上来;这不但要多消耗能量，并且要有很长的发射架。弹道式火箭的推力比其重力大不了多少。一般采用垂直发射较为合适。火箭飞行中所受的空气阻力和大气的密度、压力、温度有直接联系，而空气的因素又随高度的不一样而显着变化，所以，垂直发射能够使火箭尽快地穿过浓密的大气层而进入高空飞行，以降低能量的消耗。
如此可知，垂直发射火箭是最合理的发射方法。
火箭的整体性能
火箭技术集合了高推力(百万牛顿)，高排气速度(海平面音速的10倍)，高推重比(>100)以及能在大气层外工作的能力。而且往往可以通过削弱一种性能而使另一种性能更高。
比冲
衡量发动机性能的重要指标就是单位质量的推进剂产生的冲量，即比冲(通常写作Isp)。比冲可用速度(Ve 米每秒或英尺每秒)或时间(秒)度量。比冲大的发动机往往是性能极佳的。
净推力
以下是发动机净推力的近似值计算公式：
公式
由于火箭发动机没有喷气式发动机的进风口，因此不需要从总推力中扣除冲压阻力，因为净推力就等于总推力(排除静态反压力)。
节流
发动机可通过控制推进剂流量 (通常以kg/s或lb/s计)来达到节流的目的。
原则上，发动机可通过节流使出口压力降至围压的三分之一(喷嘴流动分离)而上限可至发动机机械强制允许的最大值。
实际上发动机可节流的范围要出入很大，但大部分火箭都可以轻易达到其机械上限，主要的限制因素就是燃烧稳定性。例如推进剂喷嘴需要一个最小压力来避免引起破坏性振动(间歇性燃烧和燃烧不稳定)，但喷嘴往往可以在更大的范围内进行调整和测试。而且有必要保证喷嘴出口压力不会低于围压太多，以避免流动分离问题。
能量效率
火箭发动机是一种效率极高的热力发动机，产生高速射流，结果如同卡诺循环一样产生高燃烧室温度和高压缩比。如果运载工具的速度达到或略微超过排气速度(相对于运载器)，那么能量效率是很高的。而在零速度下，能量效率也为零。(所有喷气推进都是如此)
火箭的冷却系统
材料工艺
反应物料在燃烧室的反应温度可达约3500 K (~5800 °F)。这个温度远超出喷嘴和燃烧室材料的熔点(石墨和钨除外)。的确在某些材料自身承受范围内能找到合适的推进剂，但要保证这些材料不会燃烧，熔化或沸腾也很重要。材料工艺决定了化学火箭尾气温度的上限。
另一种方法就是使用普通材料如铝、钢、镍或铜合金并采用冷却系统来防止材料过热。如再生冷却，使推进剂燃烧前通过燃烧室或喷嘴内壁的管道。其他冷却系统如水幕冷却、薄膜冷却可以
火箭发动机
延长燃烧室和喷嘴的寿命。这些技术可以保证气体的热边界层在接触材料时温度不会影响材料的安全性。
火箭中的热流通量往往在工程学上是最高的，其变化范围在1-200 MW/m2。而喷口处热流通量又是最高的，通常是燃烧室和喷嘴处的两倍。这是由于喷口处尾气的高速(导致边界层很薄)和高温造成的。
大部分其他的喷气式发动机的燃气轮机运转在高温下，但由于其表面积过大，难以冷却，因此不得不降低温度，损失了效率。
常用的冷却方式
不冷却：用于短时运行或测试
烧蚀壁：室壁有烧蚀材料，可不断吸热脱落
辐射冷却：使室壁达到白热状态以辐射热量
热沉式冷却：将一种推进剂(通常是液氢)沿室壁倒下
再生冷却：推进剂在燃烧前先流经室壁内的冷却套管
水幕冷却：推进剂喷射器被特殊安置，以使室壁周围的燃气温度降低
薄膜冷却：室壁被液体推进剂浸湿，液体蒸发吸热使之冷却
所有的冷却措施都是要在室壁形成一层比室内温度低的隔离层(边界
火箭发动机
层)，只要这层隔离层不被破坏，室壁就不会出问题。而燃烧不稳定或冷却系统故障常常会导致边界层的保护中断，随后导致室壁被破坏。
再生冷却系统还有第二层边界层，就是围绕室壁的冷却管道壁。由于这层边界层充作室壁和冷却剂的隔离层，因此其厚度要尽可能地薄，这可以通过加快冷却剂流速来实现。
火箭的点火系统
点火可以采取多种途径：火工装药，等离子体焰矩，电火花塞。一些燃料和氧化剂相遇燃烧，而对于非自燃燃料，可以在燃料管口填充自燃物质(俄罗斯发动机常用)。
对液体和固液混合火箭来说，推进剂进入燃烧室都必须立刻点火。液体推进剂进入燃烧室后点火延迟毫秒级时间，都会导致过量液体进入，点燃后产生的高温气体会超过燃烧室设计最大压力，从而引起灾难性后果。这叫做“硬启动”。
气体推进剂不会出现硬启动，因为喷注口总面积小于喷管口面积，点火前即使燃烧室充满气体也不会形成高压。固体推进剂通常使用一次性火工设备点燃。
点火后，燃烧室可以维持燃烧，点火器不再需要。发动机停机几秒钟后，燃烧室可以自动重点火。然而一旦燃烧室冷却，许多发动机都不能再点火。
火箭发动机-羽流物理
煤油的废气富含碳，根据其发射谱线羽流呈橙色。基于过氧化物氧化剂和氢燃料的火箭的羽流大部分是水蒸汽，肉眼几乎不可见，但在紫外线和红外线视野中呈亮色。固体火箭推进剂含有金属元素如铝，其燃烧发白光，因此其羽流高度可见。一些废气，尤其是酒精燃料的羽流呈钻石型激波。
火箭的羽流形状取决于设计高度，高度推力及其他因素。在高空所有火箭尾焰都呈超过度膨胀状态，并在尾部收束。
猜你感兴趣：
1.火箭的童话故事
