火箭固态发动机的工作原理是怎样的？
我曾经参与过一个关于火箭发动机设计的项目，所以对固态火箭发动机的工作原理有些了解。说实话，这东西的原理一点也不复杂，但想要实现高效稳定运行，里面的门道可就多了去了。
简单来说，固态火箭发动机就像一个威力巨大的“鞭炮”，但这个鞭炮的燃烧过程是持续可控的，而且产生的气体能够以极高的速度喷射出去，从而产生推力。
核心部件与构成：
一个固态火箭发动机，最主要的组成部分是：
发动机壳体 (Casing/Motor Case): 这是发动机的“外壳”，必须承受住燃烧时产生的极高压力和温度。材料通常是高强度钢、铝合金，甚至是一些复合材料，比如碳纤维缠绕的材料，以达到轻质高强的要求。这个壳体相当于高压锅的锅体，承载着一切。
推进剂 (Propellant): 这才是发动机的“燃料”，也是固态的。它是一种混合物，主要包含两大类：
氧化剂 (Oxidizer): 比如高氯酸铵 (AP)，它提供燃烧所需的氧。
燃料 (Fuel): 比如铝粉、碳黑，它们与氧化剂反应，产生大量气体。
粘合剂 (Binder): 比如聚氨酯、聚丁二烯等，它将氧化剂和燃料的粉末粘合在一起，形成一个整体，保证推进剂的形状和机械强度，同时也提供一部分燃料。
添加剂 (Additives): 比如催化剂（加速或减缓燃烧）、增塑剂（改善推进剂的柔韧性）、稳定剂（延长推进剂的储存寿命）等等。
推进剂的形状和结构 (Grain Geometry): 这一点非常关键。推进剂不是一块简单的实心柱，它被塑造成各种形状，比如星形、圆柱形、孔状等等。这个形状决定了在燃烧过程中，有多少表面积在同时燃烧，从而控制推力的输出。为什么叫“推进剂整体”（grain）？就是因为它像一颗种子一样，被塑形好，然后放入发动机壳体中。
喷管 (Nozzle): 这是发动机的“嘴巴”。它由一个缩口段 (Convergent section)、一个喉部 (Throat) 和一个扩张段 (Divergent section) 组成。
缩口段: 气体在这里加速。
喉部: 这是喷管最窄的部分，气体流速在这里达到音速（马赫数1）。
扩张段: 气体在这里继续膨胀，速度被进一步加速到超音速，同时压力降低。正是通过这个高速喷射的气流，牛顿第三定律——作用力与反作用力——就体现在火箭的推力上了。喷管的设计对发动机的性能影响极大，材料通常是耐高温的石墨、碳碳复合材料等。
点火器 (Igniter): 负责启动推进剂的燃烧。通常是一个小型火药包或者电加热丝，在接到指令后瞬间点燃一小部分推进剂，然后这部分推进剂产生的火焰会迅速蔓延到整个推进剂表面，使其进入稳定燃烧状态。
工作流程：
1. 点火 (Ignition): 当需要火箭起飞时，点火器被激活。它释放出高温高压的燃气，点燃推进剂的表面。
2. 燃烧 (Burning): 推进剂表面开始燃烧，产生大量高温高压的气体。关键在于，这个燃烧过程是表面燃烧。只要推进剂没有烧完，就会持续燃烧。
3. 气体产生与加速 (Gas Generation and Acceleration): 燃烧产生的气体被限制在发动机壳体内，压力迅速升高。这些气体通过喷管的缩口段被压缩，然后在喉部达到音速，在扩张段进一步加速到超音速。
4. 喷射与推力产生 (Expulsion and Thrust Generation): 以极高的速度（远超声速）喷射出喷管的气体，对发动机产生一个反向的作用力，这就是推力。推力的大小取决于喷出的气体的质量流量和喷射速度。
5. 燃烧终止 (Burnout): 当推进剂完全烧尽后，发动机就不再产生气体，推力也随之消失。
关键的“秘密”——推进剂的燃烧和推力控制：
上面提到推进剂的形状（grain geometry）非常重要。这是固态火箭发动机推力控制的主要手段，也是它和液体火箭发动机最大的区别之一。
燃烧表面积 (Burning Surface Area): 燃烧发生在推进剂的暴露表面。在相同的燃烧速率下，燃烧表面积越大，单位时间内产生的气体就越多，推力就越大。
推进剂形状的设计:
单体燃烧 (End Burner): 像一根火柴棍，只在一端燃烧。推力输出相对较低且变化不大。
内表面燃烧 (Internal Burning): 这是最常见的，比如星形推进剂，内部有很多凹槽。刚开始，内表面的燃烧面积大，推力也大。随着燃烧的进行，凹槽的形状会变化，燃烧面积也会相应变化，导致推力随时间变化。
外表面燃烧 (External Burning): 很少见，推进剂在外部燃烧。
燃烧速率 (Regression Rate): 推进剂燃烧时，其表面向内“退”的速度。这个速率受到压力、推进剂成分、温度等因素影响。在设计时，要精确计算和控制它。
推力曲线 (Thrust Profile): 通过调整推进剂的形状，可以设计出不同的推力输出曲线。有些火箭需要从零开始平稳加速，有些则需要一个“爆发”的初始推力。
优点和缺点：
优点:
结构简单: 没有复杂的泵、阀门、涡轮等，可靠性高。
易于储存和维护: 推进剂是固态的，加注后就可以长期储存，即插即用。
初始推力大: 适合用于火箭的助推器。
成本相对较低: 制造和维护成本通常低于液体火箭发动机。
缺点:
一旦点燃，无法关停和调节: 这一点是最致命的。一旦启动，除非推进剂烧完，否则无法停止或改变推力大小。这使得它不适合需要精细轨道控制的任务。
比冲（单位质量推进剂产生的推力）相对较低: 与高性能的液体火箭发动机相比，能量利用率稍低。
燃烧不均匀的风险: 如果推进剂内部有裂纹或气泡，可能会导致燃烧不稳定，甚至爆炸。
环境污染: 燃烧产物（尤其是含有氯的）对环境有一定影响。
总而言之， 固态火箭发动机就是利用一种特殊配方的固体混合物，通过精确控制其燃烧过程，产生高温高压气体，再通过喷管将其高速喷出，从而产生推力。它以其简单可靠、易于储存等特点，在许多领域，特别是作为火箭的助推器，发挥着重要的作用。它的“秘密”就藏在那些看似简单的固体推进剂的配方和形状里，以及与它们完美配合的喷管设计中。
简单来说，固态火箭发动机就像一个威力巨大的“鞭炮”，但这个鞭炮的燃烧过程是持续可控的，而且产生的气体能够以极高的速度喷射出去，从而产生推力。
核心部件与构成：
一个固态火箭发动机，最主要的组成部分是：
发动机壳体 (Casing/Motor Case): 这是发动机的“外壳”，必须承受住燃烧时产生的极高压力和温度。材料通常是高强度钢、铝合金，甚至是一些复合材料，比如碳纤维缠绕的材料，以达到轻质高强的要求。这个壳体相当于高压锅的锅体，承载着一切。
推进剂 (Propellant): 这才是发动机的“燃料”，也是固态的。它是一种混合物，主要包含两大类：
氧化剂 (Oxidizer): 比如高氯酸铵 (AP)，它提供燃烧所需的氧。
燃料 (Fuel): 比如铝粉、碳黑，它们与氧化剂反应，产生大量气体。
粘合剂 (Binder): 比如聚氨酯、聚丁二烯等，它将氧化剂和燃料的粉末粘合在一起，形成一个整体，保证推进剂的形状和机械强度，同时也提供一部分燃料。
添加剂 (Additives): 比如催化剂（加速或减缓燃烧）、增塑剂（改善推进剂的柔韧性）、稳定剂（延长推进剂的储存寿命）等等。
推进剂的形状和结构 (Grain Geometry): 这一点非常关键。推进剂不是一块简单的实心柱，它被塑造成各种形状，比如星形、圆柱形、孔状等等。这个形状决定了在燃烧过程中，有多少表面积在同时燃烧，从而控制推力的输出。为什么叫“推进剂整体”（grain）？就是因为它像一颗种子一样，被塑形好，然后放入发动机壳体中。
喷管 (Nozzle): 这是发动机的“嘴巴”。它由一个缩口段 (Convergent section)、一个喉部 (Throat) 和一个扩张段 (Divergent section) 组成。
缩口段: 气体在这里加速。
喉部: 这是喷管最窄的部分，气体流速在这里达到音速（马赫数1）。
扩张段: 气体在这里继续膨胀，速度被进一步加速到超音速，同时压力降低。正是通过这个高速喷射的气流，牛顿第三定律——作用力与反作用力——就体现在火箭的推力上了。喷管的设计对发动机的性能影响极大，材料通常是耐高温的石墨、碳碳复合材料等。
点火器 (Igniter): 负责启动推进剂的燃烧。通常是一个小型火药包或者电加热丝，在接到指令后瞬间点燃一小部分推进剂，然后这部分推进剂产生的火焰会迅速蔓延到整个推进剂表面，使其进入稳定燃烧状态。
工作流程：
1. 点火 (Ignition): 当需要火箭起飞时，点火器被激活。它释放出高温高压的燃气，点燃推进剂的表面。
2. 燃烧 (Burning): 推进剂表面开始燃烧，产生大量高温高压的气体。关键在于，这个燃烧过程是表面燃烧。只要推进剂没有烧完，就会持续燃烧。
3. 气体产生与加速 (Gas Generation and Acceleration): 燃烧产生的气体被限制在发动机壳体内，压力迅速升高。这些气体通过喷管的缩口段被压缩，然后在喉部达到音速，在扩张段进一步加速到超音速。
4. 喷射与推力产生 (Expulsion and Thrust Generation): 以极高的速度（远超声速）喷射出喷管的气体，对发动机产生一个反向的作用力，这就是推力。推力的大小取决于喷出的气体的质量流量和喷射速度。
5. 燃烧终止 (Burnout): 当推进剂完全烧尽后，发动机就不再产生气体，推力也随之消失。
关键的“秘密”——推进剂的燃烧和推力控制：
上面提到推进剂的形状（grain geometry）非常重要。这是固态火箭发动机推力控制的主要手段，也是它和液体火箭发动机最大的区别之一。
燃烧表面积 (Burning Surface Area): 燃烧发生在推进剂的暴露表面。在相同的燃烧速率下，燃烧表面积越大，单位时间内产生的气体就越多，推力就越大。
推进剂形状的设计:
单体燃烧 (End Burner): 像一根火柴棍，只在一端燃烧。推力输出相对较低且变化不大。
内表面燃烧 (Internal Burning): 这是最常见的，比如星形推进剂，内部有很多凹槽。刚开始，内表面的燃烧面积大，推力也大。随着燃烧的进行，凹槽的形状会变化，燃烧面积也会相应变化，导致推力随时间变化。
外表面燃烧 (External Burning): 很少见，推进剂在外部燃烧。
燃烧速率 (Regression Rate): 推进剂燃烧时，其表面向内“退”的速度。这个速率受到压力、推进剂成分、温度等因素影响。在设计时，要精确计算和控制它。
推力曲线 (Thrust Profile): 通过调整推进剂的形状，可以设计出不同的推力输出曲线。有些火箭需要从零开始平稳加速，有些则需要一个“爆发”的初始推力。
优点和缺点：
优点:
结构简单: 没有复杂的泵、阀门、涡轮等，可靠性高。
易于储存和维护: 推进剂是固态的，加注后就可以长期储存，即插即用。
初始推力大: 适合用于火箭的助推器。
成本相对较低: 制造和维护成本通常低于液体火箭发动机。
缺点:
一旦点燃，无法关停和调节: 这一点是最致命的。一旦启动，除非推进剂烧完，否则无法停止或改变推力大小。这使得它不适合需要精细轨道控制的任务。
比冲（单位质量推进剂产生的推力）相对较低: 与高性能的液体火箭发动机相比，能量利用率稍低。
燃烧不均匀的风险: 如果推进剂内部有裂纹或气泡，可能会导致燃烧不稳定，甚至爆炸。
环境污染: 燃烧产物（尤其是含有氯的）对环境有一定影响。
总而言之， 固态火箭发动机就是利用一种特殊配方的固体混合物，通过精确控制其燃烧过程，产生高温高压气体，再通过喷管将其高速喷出，从而产生推力。它以其简单可靠、易于储存等特点，在许多领域，特别是作为火箭的助推器，发挥着重要的作用。它的“秘密”就藏在那些看似简单的固体推进剂的配方和形状里，以及与它们完美配合的喷管设计中。
网友意见
固体火箭最特别之处就是它的燃烧是从内侧到外侧，而不是从下向上。
燃料和氧化剂再加一些粘合剂（掺在一起合称推进剂）被做成固体，装在固体火箭外壳内。其中例如阿丽亚娜5号的固体火箭助推器推进剂成分为：14%丁二烯，18%铝粉和68%的高氯酸铵。
它的截面形状被根据飞行任务设计。下面具体说
首先固体火箭的点火装置在最上面，有不同的点火方式。比如可以用电来打着一块固体燃料，制造出来的高热高速气体吹入火箭主体。
假如推进剂截面形状为均匀圆形的话，那刚点火时推力最低，因为燃烧面积最小。越烧面积越大也就推力越大。而火箭刚点火时最重，需要相对较高的推力。
这时工程师想到一个解决方案，将推进剂截面形状做成例如星星状。
这样在刚开始燃烧时，燃烧面积最大，当星星状的突出部被烧完了，燃烧面积变小。
航天工程师可以通过推进剂截面形状来设计推力相对时间的曲线。
但是当这一切都完成时，它的行为也就完全预先设计好了。固体火箭一旦点火就必须飞了，没有熄灭推迟再发一次的可能性。其内部几乎没有活动部件。
不同于液体火箭燃烧室比较小，固体火箭整个都是燃烧室，很高，会导致上下方向的压力振荡，燃烧不稳定。而液体火箭的燃烧室上下振荡远远不如这么剧烈。
所以芯体为液体火箭，助推器为固体的火箭发射时，都是芯体先点火，工程师检查液体火箭工况一切正常，才会再将固体火箭助推器点火。
虽然固体火箭比冲不大，但是推力非常高，这也是它被用来做助推器的原因。而由于它的推力远高于主火箭，假如左右助推器的推力过于不对称，这个偏向很难被修正回来，所以固体火箭助推器的生产需要非常非常高精度（当然上天的东西，都挺精密的）。阿丽亚娜5号主火箭1390kN推力，单个助推器7080kN（GS, ECA, ES子型号）。
额外，不像液体火箭发射时需要准备并加注燃料，固体火箭可以长期待命，说发就发。这对军事用途非常友好，但是比冲略低，投射能力低于液体火箭。结构简单，设计和制造要求也低于液体火箭。包括军用飞机的弹射座椅也使用固体火箭。
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